全息技術(shù)“量子飛躍”或徹底改變成像技術(shù) 進(jìn)一步了解生物學(xué)在細(xì)胞水平上的功能

據(jù)最新一期《自然·物理學(xué)》報(bào)道，英國格拉斯哥大學(xué)的物理學(xué)家首次找到使用量子糾纏光子來將信息編碼為全息圖的方法。這一突破了傳統(tǒng)全息方法局限性的新型量子全息術(shù)，將允許創(chuàng)建更高分辨率、更低噪聲的圖像，幫助揭示更好的細(xì)胞細(xì)節(jié)，進(jìn)一步了解生物學(xué)在細(xì)胞水平上的功能。

全息術(shù)作為打印在信用卡和護(hù)照上的安全圖像而為人所知，但其還有許多其他實(shí)際應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、醫(yī)學(xué)成像等。經(jīng)典全息術(shù)通過將激光束分成兩條路徑來創(chuàng)建三維物體的二維渲染。一束激光直接投射在感光底片上，稱為參考光束;另一束激光投射在物體上，經(jīng)物體反射或者透射，就攜帶有物體的有關(guān)信息，稱為物光束。物光束經(jīng)過處理也投射在感光底片的同一區(qū)域上。

全息圖是通過測(cè)量兩束光在相交處的相位差來創(chuàng)建的。相位是物光束和參考光束的波混合并相互干擾的量，這一過程由光的“相干”屬性實(shí)現(xiàn)。

格拉斯哥團(tuán)隊(duì)的新量子全息術(shù)同樣使用了分成兩路的激光束，但與經(jīng)典全息術(shù)不同的是，激光束永遠(yuǎn)不會(huì)重合。取而代之的是，該過程利用了量子糾纏的獨(dú)特特性(愛因斯坦的“遠(yuǎn)距離幽靈”效應(yīng))，即使光束被永遠(yuǎn)分開，它也可以收集構(gòu)造全息圖所需的相干信息。

研究人員首先通過特殊的非線性晶體發(fā)出藍(lán)色激光，該晶體將光束分成兩路，在此過程中產(chǎn)生糾纏的光子。這些光子在行進(jìn)方向和偏振方向上都糾纏在一起。

然后，兩條糾纏的光子流沿著不同的路徑發(fā)送。一束光子流(相當(dāng)于經(jīng)典全息術(shù)中的物光束)用于通過測(cè)量光子通過時(shí)的減速來探測(cè)目標(biāo)物體的厚度和偏振響應(yīng)。光的波形在穿過物體時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的偏移，從而改變了光的相位。

同時(shí)，相當(dāng)于參考光束的另一束糾纏光子流撞擊一個(gè)空間光調(diào)制器?？臻g光調(diào)制器是一種可部分減慢通過它們的光速的光學(xué)設(shè)備。一旦光子通過了調(diào)制器，與探測(cè)目標(biāo)物體的糾纏光子流相比，其相位就有了不同。

在標(biāo)準(zhǔn)全息術(shù)中，兩條路徑之后將彼此疊加，并且它們之間的相位干擾程度將用于在相機(jī)上生成全息圖。而在研究人員團(tuán)隊(duì)的新型量子全息術(shù)中，最引人注目的是光子穿過各自的目標(biāo)后再也不會(huì)相互重疊。相反，因?yàn)楣庾颖患m纏，所以每個(gè)光子分別經(jīng)歷的相移會(huì)同時(shí)由兩者共享。

干擾現(xiàn)象會(huì)在遠(yuǎn)端發(fā)生，全息圖將通過使用單獨(dú)的百萬像素?cái)?shù)碼相機(jī)測(cè)量糾纏的光子位置之間的相關(guān)性來獲得。實(shí)驗(yàn)顯示，相圖既可從諸如在液晶顯示器上編程的字母“UofG”之類的人造物體重構(gòu)而來，也可從諸如透明膠帶、顯微鏡載玻片上的硅油滴和鳥羽之類的真實(shí)物體中重構(gòu)而來。

研究人員表示，新研究擺脫了經(jīng)典相干的局限，將全息術(shù)帶入了量子領(lǐng)域。使用糾纏光子提供了創(chuàng)建更清晰、更豐富的全息圖的新方法，這為該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用開辟了新的可能性。(馮衛(wèi)東)