激光网3月8日消息，研究人员说，量子物理学的独特特性可以帮助解决一个长期存在的问题，即阻止显微镜在最小的尺度上产生更清晰的图像。
这一突破使用纠缠光子创造了一种校正显微镜图像畸变的新方法，可以改进组织样本的经典显微镜成像，以帮助推进医学研究。
它还可能导致量子增强显微镜的新进展，用于广泛的领域。
数百年来，显微镜一直是科学家的宝贵工具。光学的进步使研究人员能够解析细胞和材料基本结构的更详细图像。
然而，随着显微镜的复杂性不断提高，它们已经开始遇到传统光学技术的极限，在传统光学技术中，即使是解析图像的元件中的微小缺陷也会产生模糊的图像。
目前，一种称为自适应光学的过程用于校正由像差引起的图像失真。畸变可能是由镜片和其他光学元件中的小缺陷或显微镜下样品的缺陷引起的。
自适应光学的关键是“导星”——在显微镜下在样品中发现的亮点，为检测像差提供了参考点。然后，称为空间光调制器的设备可以塑造光线并校正这些失真。
对导星的依赖给显微镜带来了问题，这些显微镜对细胞和组织等不包含亮点的样品进行成像。科学家们已经使用图像处理算法开发了无导星自适应光学器件，但对于具有复杂结构的样品来说，这些算法可能会失败。
在《科学》杂志上发表的一篇新论文中，来自英国和法国的研究人员概述了他们如何使用纠缠光子来感知和校正通常扭曲显微镜图像的像差。他们称这一过程为量子辅助自适应光学。
这篇论文描述了他们如何使用他们的新技术来校正失真并检索生物测试样本的高分辨率图像 - 蜜蜂的喉舌和腿。他们还演示了具有三维结构的样品的像差校正——这是经典自适应光学经常失败的情况。
他们使用纠缠光子对来照亮样品，使他们能够捕获常规图像并同时测量量子相关性。
当纠缠的光子对遇到像差时，它们的纠缠会退化。研究人员表明，这些量子相关性的退化方式实际上揭示了有关像差的信息，并允许使用复杂的计算机分析来纠正它们。
相关性中包含的信息可以精确表征像差，然后使用空间光调制器进行校正。该论文表明，与传统的明场显微镜技术相比，这种相关性可用于产生更清晰、更高分辨率的图像。
格拉斯哥大学物理与天文学学院的帕特里克·卡梅伦是该论文的第一作者。他说：“像生物组织这样的复杂样品使用传统的显微镜方法成像可能具有挑战性，因为人类或动物组织中很少有天然亮点，因此明亮的星形技术可能会失败。
“这项研究表明，量子纠缠光源可用于探测样品，其方式与传统显微镜相比更具挑战性，如果不是不可能的话。用纠缠光子识别和校正像差和畸变使我们能够产生更清晰的图像，而不需要导星。
Hugo Defienne博士开始在格拉斯哥大学物理与天文学学院从事研究工作，然后搬到索邦大学的巴黎纳米科学研究所，他现在在那里工作。该论文的最后一位作者Defienne博士说：“这项新技术可以广泛应用于各种传统光学显微镜，以帮助改善各种样品的成像。我们在生物样本上证明了它的有效性，表明它在未来可以用于医学和生物学领域。
“它也可以应用于新兴的量子显微镜领域，该领域具有巨大的潜力，可以产生超越经典光限制的图像。
在该技术在光学显微镜中广泛采用之前，该团队仍有一些技术障碍需要克服。
格拉斯哥大学极光研究小组负责人Daniele Faccio教授是该论文的合著者。他说：“下一代相机和光源可能有助于提高使用这种技术解析图像的速度。我们将继续致力于改进和开发该工艺，并期待随着我们的进展为先进显微镜找到新的实际应用。
来自剑桥大学和法国Kastler Brossel实验室的研究人员也为这项研究做出了贡献。该团队的论文题为“Adaptive Optical Imaging with Entangled Photons”，发表在《科学》杂志上。
该研究得到了英国皇家工程院新兴技术教席计划、工程和物理科学研究委员会、欧盟地平线2020研究和创新计划、欧洲研究委员会启动拨款和SPIE量子光子学早期职业研究人员加速器基金的资助。
