物电院罗海陆/文双春教授团队提出并实现量子非局域弱测量显微镜

近日，湖南大学物理与微电子科学学院罗海陆/文双春教授团队提出并实现了量子非局域弱测量显微镜，为观测透明、光敏生物细胞和生物组织开拓了新思路。

光学显微镜是我们探索微观世界的重要工具，已经成为现代物理学、生物学、材料学等领域充满活力的研究方向。在微观世界中，细胞是生命体的结构单元，也是生命活动的基本单位。生物细胞的大小、形态以及结构特征与细胞的功能和活动相适应，对其特征识别技术的研究是生命科学的基础，也是现代生命科学的发展支柱。大多数生物细胞是微小透明的，通常情况下可看作是纯相位物体。这类样本被称为相位物体，因为它们仅影响输入光场的相位而不是振幅。纯相位物体的散射光非常弱，使得从压倒性的输入光背景中揭示其结构变得极具挑战性。

由于透明生物样本的散射光非常弱，导致观测它们需引入复杂的光学系统。尽管如此，成像对比度仍然很低。传统使用的显微镜的灵敏度和分辨率从根本上受到环境噪声的限制，可以通过增加照明光的强度有效降低环境噪声的影响。因此，传统的显微成像技术面临另一个关键困难：对于光敏生物样本，大的光照强度会导致样品的生物物理损伤。

（a）基于单光子的标准弱测量。(b) 基于偏振纠缠光子对的非局域弱测量。

针对上述挑战和关键困难，湖南大学物理与微电子科学学院罗海陆/文双春教授团队提出了量子非局域弱测量显微镜。量子弱测量方法通过非常弱的相互作用进行测量而不影响被测物理系统，通过调控量子态的前后选择可以显著放大被测的微小物理量，因此已经被广泛的应用于微小物理参数和物理效应的精密测量。超表面为二维纳米结构，通过设计其结构尺寸和周期，可以精确操控测量探针和被观测量的耦合强度。基于超表面的量子弱测量装置结构简单、紧凑，便于集成到传统显微成像系统中，可以精确测量透明生物样本的相位梯度信息，从而重构其定量相位图像。

在标准量子弱测量中，测量过程通常是由同一个光子实现，在低光子水平成像难以获得高的信噪比。非局域弱测量打破标准弱测量的限制，将测量过程推广到两个偏振相互纠缠的光子。基于非局域弱测量方法可以对单个光子进行计数，实现对极微弱信号的探测，有效地滤除了时域上不重叠的环境噪声。非局域弱测量成像是一种超低噪声的成像技术，增强的灵敏度使其能够探测到单个光子。非局域弱测量成像方法大幅提升了少数光子条件下的成像信噪比和对比度，避免对光敏细胞的生物物理损伤。此外，基于非局域弱测量方法，可以实现明场、微分、定量相位三种成像模式，通过不同成像模式可以精确重构生物细胞和生物组织的强度和振幅信息。

量子非局域弱测量显微镜实验装置

该研究成果以“Metasurface-Assisted Quantum Nonlocal Weak-Measurement Microscopy”为题发表在《Physical Review Letters》上，湖南大学物理与微电子科学学院为第一单位，博士后刘佳威为第一作者，罗海陆教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、博新计划项目经费支持。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.043601

来源：物电院

责任编辑：文亦佳