量子增强非干涉定量相位成像

NIQPR 方案。由波长为 405 nm 的连续波激光器泵浦的自发参量下变频（SPDC）产生两束相关光束，分别标记为信号（s）和惰光（i），并通过由两个透镜（L1 是焦距为 F = 1 cm 的远场透镜，L2 是焦距为 3 cm 的成像透镜）和一个测试物体组成的成像系统传播。干涉滤波器（IF）用于选择变性波长（@810 nm）周围 40 nm 的带宽并阻挡泵浦。物体靠近光源的远场，只有探针光束与之相互作用。相位信息可从一些离焦（±dz）平面的强度测量值中获取。资料来源：《光： 科学与应用》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41377-023-01215-1

光学相位检索和成像技术广泛应用于各种科学领域，例如准透明生物样本的成像或纳米结构的计量表征，如半导体工业。从根本上说，经典系统成像精度的限制来自照明光的内在波动，因为形成照明光的光子是由传统光源随机发射的，并且彼此独立。

光束中的量子相关性，即光子表现出一定的合作性，可以超越这些限制。虽然通过一阶干涉在相位估计中获得的量子优势已广为人知，但干涉测量方案并不适合多参数宽视场成像，需要对扩展样本进行光栅扫描。

在发表于《光科学与应用》（Light Science & Application）的一篇新论文中，来自意大利国家计量研究院（INRiM）量子光学组和荷兰代尔夫特理工大学应用科学学院成像物理系光学研究组的科学家团队开发了一种利用量子相关性的技术，以非干涉方式增强相位轮廓成像。

所提出的方案可直接应用于宽视场透射显微镜设置，以实时获得全视场相位检索，而且在本质上比干涉测量设置更加稳定。灵敏度的提高有可能在固定光子曝光或等效于固定测量时间的情况下，从样品中获取比传统方法所允许的更多信息。

科学家们使用的两个主要成分是所谓的 "强度传输方程"（TIE）相位检索，这是一种在经典领域得到广泛探索的算法，用于从强度直接测量中检索相位信息；以及一对纠缠光束。这两束光之间的量子相关性非常强，以至于它们在单光子水平上是相同的。研究人员利用这种相关性降低了探测光的固有噪声波动，从而获得了更清晰的图像和更精确的相位估计。

"纠缠和挤压等量子资源已被证明可用于增强各种传感应用，如成像、干涉相位估计、目标探测和测距等。我们的建议为这一广泛的全景图带来了另一项贡献，它表明，通过使用实验室中现在常规可用的量子相关性，可以显著提升研究得非常透彻的 TIE 相位检索经典方案，显示出相对短期应用的潜力，"科学家们说。

参考资料

Giuseppe Ortolano et al, Quantum enhanced non-interferometric quantitative phase imaging, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01215-1