近日，湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院羅海陸/文雙春教授團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了量子非局域弱測量顯微鏡，為觀測透明、光敏生物細(xì)胞和生物組織開拓了新思路。
 

　　光學(xué)顯微鏡是我們探索微觀世界的重要工具，已經(jīng)成為現(xiàn)代物理學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域充滿活力的研究方向。在微觀世界中，細(xì)胞是生命體的結(jié)構(gòu)單元，也是生命活動的基本單位。生物細(xì)胞的大小、形態(tài)以及結(jié)構(gòu)特征與細(xì)胞的功能和活動相適應(yīng)，對其特征識別技術(shù)的研究是生命科學(xué)的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代生命科學(xué)的發(fā)展支柱。大多數(shù)生物細(xì)胞是微小透明的，通常情況下可看作是純相位物體。這類樣本被稱為相位物體，因?yàn)樗鼈儍H影響輸入光場的相位而不是振幅。純相位物體的散射光非常弱，使得從壓倒性的輸入光背景中揭示其結(jié)構(gòu)變得極具挑戰(zhàn)性。
 

　　由于透明生物樣本的散射光非常弱，導(dǎo)致觀測它們需引入復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。盡管如此，成像對比度仍然很低。傳統(tǒng)使用的顯微鏡的靈敏度和分辨率從根本上受到環(huán)境噪聲的限制，可以通過增加照明光的強(qiáng)度有效降低環(huán)境噪聲的影響。因此，傳統(tǒng)的顯微成像技術(shù)面臨另一個(gè)關(guān)鍵困難：對于光敏生物樣本，大的光照強(qiáng)度會導(dǎo)致樣品的生物物理損傷。
 

(a)基于單光子的標(biāo)準(zhǔn)弱測量。(b) 基于偏振糾纏光子對的非局域弱測量。
 

　　針對上述挑戰(zhàn)和關(guān)鍵困難，湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院羅海陸/文雙春教授團(tuán)隊(duì)提出了量子非局域弱測量顯微鏡。量子弱測量方法通過非常弱的相互作用進(jìn)行測量而不影響被測物理系統(tǒng)，通過調(diào)控量子態(tài)的前后選擇可以顯著放大被測的微小物理量，因此已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于微小物理參數(shù)和物理效應(yīng)的精密測量。超表面為二維納米結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)尺寸和周期，可以精確操控測量探針和被觀測量的耦合強(qiáng)度。基于超表面的量子弱測量裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，便于集成到傳統(tǒng)顯微成像系統(tǒng)中，可以精確測量透明生物樣本的相位梯度信息，從而重構(gòu)其定量相位圖像。
 

　　在標(biāo)準(zhǔn)量子弱測量中，測量過程通常是由同一個(gè)光子實(shí)現(xiàn)，在低光子水平成像難以獲得高的信噪比。非局域弱測量打破標(biāo)準(zhǔn)弱測量的限制，將測量過程推廣到兩個(gè)偏振相互糾纏的光子。基于非局域弱測量方法可以對單個(gè)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對極微弱信號的探測，有效地濾除了時(shí)域上不重疊的環(huán)境噪聲。非局域弱測量成像是一種超低噪聲的成像技術(shù)，增強(qiáng)的靈敏度使其能夠探測到單個(gè)光子。非局域弱測量成像方法大幅提升了少數(shù)光子條件下的成像信噪比和對比度，避免對光敏細(xì)胞的生物物理損傷。此外，基于非局域弱測量方法，可以實(shí)現(xiàn)明場、微分、定量相位三種成像模式，通過不同成像模式可以精確重構(gòu)生物細(xì)胞和生物組織的強(qiáng)度和振幅信息。
 

量子非局域弱測量顯微鏡實(shí)驗(yàn)裝置
 

　　該研究成果以“Metasurface-Assisted Quantum Nonlocal Weak-Measurement Microscopy”為題發(fā)表在《Physical Review Letters》上，湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院為第一單位，博士后劉佳威為第一作者，羅海陸教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、湖南省自然科學(xué)基金、博新計(jì)劃項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)支持。