量子光学成像的原理（新的量子秒表可以改进成像技术）

科罗拉多大学博尔德分校的研究人员设计了迄今为止最精确的秒表之一——不是用于为奥运会短跑运动员和游泳运动员计时，而是用于计算单个光子或构成光的微小能量包。

该团队的发明可能会导致一系列成像技术的重大改进——从绘制整个森林和山脉的传感器到可以诊断阿尔茨海默氏症和癌症等人类疾病的更详细的设备。该小组本周在Optica杂志上发表了其结果。

这项新研究的主要作者李博文表示，该研究侧重于一种广泛应用的技术，称为时间相关单光子计数 (TCSPC)。它的工作原理有点像你在奥运会上看到的计时器：科学家首先用激光照射他们选择的样本，从单个蛋白质一直到大型地质构造，然后记录反射回它们的光子。研究人员收集的光子越多，他们对那个物体的了解就越多。

“TCSPC 为您提供光子总数。它还会计算每个光子撞击探测器的时间，”CU Boulder 电气、计算机和能源工程系 (ECEE) 的博士后研究员 Li 说。“它就像一个秒表。”

现在，秒表变得比以往任何时候都好。使用一种称为“时间透镜”的超快光学工具，李和他的同事表明，他们可以以比现有工具高 100 倍以上的精度测量光子的到达。

新研究的通讯作者 Shu-Wei Huang 补充说，该小组的量子时间透镜甚至可以与市场上最便宜的 TCSPC 设备配合使用。

“我们可以将这种修改添加到几乎任何 TCSPC 系统中，以提高其单光子定时分辨率，”ECEE 助理教授 Huang 说。

该研究是由 CU Boulder 领导的新推出的、耗资 2500 万美元的量子系统纠缠科学与工程 (Q-SEnSE) 中心的一部分。

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黄说，TCSPC 可能不是一个家喻户晓的名字。但这项于 1960 年首次开发的技术彻底改变了人类看待世界的方式。这些光子计数器是激光雷达（或光探测和测距）传感器的重要组成部分，研究人员用它来创建地质图。它们还出现在称为荧光寿命显微镜的更小规模的成像方法中。医生使用该技术来诊断一些疾病，如黄斑变性、阿尔茨海默病和癌症。

“人们在他们的样品上照射光脉冲，然后测量发射光子需要多长时间，”李说。“那个时间告诉你材料的特性，比如细胞的新陈代谢。”

然而，传统的 TCSPC 工具只能测量到一定精度的时间：如果两个光子到达你的设备太近——比如相距 100 万亿分之一秒或更短——探测器将它们记录为单个光子。这有点像两个短跑运动员在 100 米冲刺中完成照片。

这种微小的不一致听起来像是在狡辩，但李指出，当试图详细了解令人难以置信的小分子时，它们可以产生很大的不同。

时间镜头

因此，他和他的同事决定尝试使用科学家所说的“时间镜头”来解决这个问题。

“在显微镜中，我们使用光学镜头将小物体放大成大图像，”李说。“我们的时间镜头以类似的方式工作，但适用于时间。”

要了解时间失真是如何工作的，请将两个光子想象为两个并肩比赛的跑步者——如此接近，以至于奥运会计时员无法区分它们。Li 和他的同事将这两个光子通过他们的时间透镜，时间透镜由二氧化硅纤维环组成。在这个过程中，一个光子减速，而另一个加速。现在，跑步者之间的差距不再是一场势均力敌的比赛，而是一个探测器可以记录的差距。

“两个光子之间的分离将被放大，”李说。

而且，该团队发现，该策略有效：带有内置时间透镜的 TCSPC 设备可以区分到达探测器的光子，其间隙为数百千万亿分之一秒——比普通设备可以实现的要好几个数量级。

在时间透镜在科学实验室中变得普遍之前，研究人员还有一些工作要做。但他们希望他们的工具有朝一日能让人类观察物体，从非常小到非常大——所有这些都是以前不可能的清晰度。