《自然·物理学》：全息技术“量子飞跃”或彻底改变成像技术

仙仙

据最新一期《自然·物理学》报道，英国格拉斯哥大学的物理学家首次找到使用量子纠缠光子来将信息编码为全息图的方法。这一突破了传统全息方法局限性的新型量子全息术，将允许创建更高分辨率、更低噪声的图像，帮助揭示更好的细胞细节，进一步了解生物学在细胞水平上的功能。


全息术作为打印在信用卡和护照上的安全图像而为人所知，但其还有许多其他实际应用，包括数据存储、医学成像等。经典全息术通过将激光束分成两条路径来创建三维物体的二维渲染。一束激光直接投射在感光底片上，称为参考光束；另一束激光投射在物体上，经物体反射或者透射，就携带有物体的有关信息，称为物光束。物光束经过处理也投射在感光底片的同一区域上。


全息图是通过测量两束光在相交处的相位差来创建的。相位是物光束和参考光束的波混合并相互干扰的量，这一过程由光的“相干”属性实现。


格拉斯哥团队的新量子全息术同样使用了分成两路的激光束，但与经典全息术不同的是，激光束永远不会重合。取而代之的是，该过程利用了量子纠缠的独特特性（爱因斯坦的“远距离幽灵”效应），即使光束被永远分开，它也可以收集构造全息图所需的相干信息。


研究人员首先通过特殊的非线性晶体发出蓝色激光，该晶体将光束分成两路，在此过程中产生纠缠的光子。这些光子在行进方向和偏振方向上都纠缠在一起。


然后，两条纠缠的光子流沿着不同的路径发送。一束光子流（相当于经典全息术中的物光束）用于通过测量光子通过时的减速来探测目标物体的厚度和偏振响应。光的波形在穿过物体时会发生不同程度的偏移，从而改变了光的相位。


同时，相当于参考光束的另一束纠缠光子流撞击一个空间光调制器。空间光调制器是一种可部分减慢通过它们的光速的光学设备。一旦光子通过了调制器，与探测目标物体的纠缠光子流相比，其相位就有了不同。


在标准全息术中，两条路径之后将彼此叠加，并且它们之间的相位干扰程度将用于在相机上生成全息图。而在研究人员团队的新型量子全息术中，最引人注目的是光子穿过各自的目标后再也不会相互重叠。相反，因为光子被纠缠，所以每个光子分别经历的相移会同时由两者共享。


干扰现象会在远端发生，全息图将通过使用单独的百万像素数码相机测量纠缠的光子位置之间的相关性来获得。实验显示，相图既可从诸如在液晶显示器上编程的字母“UofG”之类的人造物体重构而来，也可从诸如透明胶带、显微镜载玻片上的硅油滴和鸟羽之类的真实物体中重构而来。


研究人员表示，新研究摆脱了经典相干的局限，将全息术带入了量子领域。使用纠缠光子提供了创建更清晰、更丰富的全息图的新方法，这为该技术的实际应用开辟了新的可能性。（科技日报记者冯卫东）