全息技術(shù)“量子飛躍”或徹底改變成像技術(shù)

據(jù)最新一期《自然·物理學(xué)》 報道， 英國格拉斯哥大學(xué)的物理學(xué)家首次找到一種使用量子糾纏光子將信息編碼為全息圖的方法。 這種突破了傳統(tǒng)全息方法局限性的新型量子全息術(shù)， 將允許創(chuàng)建更高分辨率、 更低噪聲的圖像， 幫助揭示更好的細胞細節(jié)， 進一步地了解生物學(xué)在細胞水平上的功能。

全息術(shù)作為打印在信用卡和護照上的安全圖像而為人所知， 但其還有許多其他實際的應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)存儲、 醫(yī)學(xué)成像等。 經(jīng)典全息術(shù)通過將激光束分成兩條路徑來創(chuàng)建三維物體的二維渲染。一束激光直接投射在感光底片上， 被稱為參考光束； 另一束激光投射在物體上， 經(jīng)物體反射或者透射， 就攜帶有物體的有關(guān)信息， 被稱為物光束。物光束經(jīng)過處理也投射在感光底片的同一區(qū)域上。

全息圖是通過測量兩束光在相交處的相位差來創(chuàng)建的。 所謂相位， 是物光束和參考光束的波混合并相互干擾的量， 這一過程由光的“相干”屬性實現(xiàn)。

格拉斯哥團隊的新量子全息術(shù)同樣使用了分成兩路的激光束， 但與經(jīng)典全息術(shù)不同的是， 激光束永遠不會重合。 取而代之的是， 該過程利用了量子糾纏的獨特特性（愛因斯坦的“遠距離幽靈” 效應(yīng)）， 即使光束被永遠分開， 它也可以收集那些構(gòu)造全息圖所需的相干信息。

研究人員首先通過特殊的非線性晶體發(fā)出藍色激光， 該晶體將光束分成兩路， 在此過程中產(chǎn)生糾纏的光子。 這些光子在行進方向和偏振方向上都糾纏在一起。

然后， 兩條糾纏的光子流沿著不同的路徑發(fā)送。 一束光子流（相當于經(jīng)典全息術(shù)中的物光束）用于通過測量光子通過時的減速來探測目標物體的厚度和偏振響應(yīng)。 光的波形在穿過物體時會發(fā)生不同程度的偏移， 從而改變了光的相位。

同時， 相當于參考光束的另一束糾纏光子流撞擊一個空間光調(diào)制器。 空間光調(diào)制器是一種可部分減慢光速的光學(xué)設(shè)備。 一旦光子通過了調(diào)制器， 與探測目標物體的糾纏光子流相比， 其相位就有了不同。

在標準全息術(shù)中， 兩條路徑之后將彼此疊加，并且它們之間的相位干擾程度將用于在相機上生成全息圖。 而在研究人員團隊的新型量子全息術(shù)中， 最引人注目的是光子穿過各自的目標后再也不會相互重疊。 相反， 因為光子被糾纏， 所以每個光子分別經(jīng)歷的相移會同時由兩者共享。

干擾現(xiàn)象會在遠端發(fā)生， 全息圖將通過單獨使用的百萬像素數(shù)碼相機測量糾纏的光子位置之間的相關(guān)性來獲得。 實驗結(jié)果顯示， 相圖既可從諸如在液晶顯示器上編程的字母“UofG” 之類的人造物體重構(gòu)而來， 也可從諸如透明膠帶、 顯微鏡載玻片上的硅油滴和鳥羽之類的真實物體中重構(gòu)而來。

研究人員表示， 新研究擺脫了經(jīng)典相干的局限， 將全息術(shù)帶入了量子領(lǐng)域。 使用糾纏光子提供了創(chuàng)建更清晰、 更豐富的全息圖的新方法， 這為該技術(shù)的實際應(yīng)用開辟了新的可能性。