光學顯微鏡是我們探索微觀世界的重要工具，已經成為現代物理學、生物學、材料學等領域充滿活力的研究方向。在微觀世界中，細胞是生命體的結構單元，也是生命活動的基本單位。生物細胞的大小、形態以及結構特征與細胞的功能和活動相適應，對其特征識別技術的研究是生命科學的基礎，也是現代生命科學的發展支柱。大多數生物細胞是微小透明的，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，因為它們僅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構變得極具挑戰性。
由于透明生物樣本的散射光非常弱，導致觀測它們需引入復雜的光學系統。盡管如此，成像對比度仍然很低。傳統使用的顯微鏡的靈敏度和分辨率從根本上受到環境噪聲的限制，可以通過增加照明光的強度有效降低環境噪聲的影響。因此，傳統的顯微成像技術面臨另一個關鍵困難：對于光敏生物樣本，大的光照強度會導致樣品的生物物理損傷。
(a)基于單光子的標準弱測量。(b) 基于偏振糾纏光子對的非局域弱測量。
針對上述挑戰和關鍵困難，湖南大學物理與微電子科學學院羅海陸/文雙春教授團隊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行測量而不影響被測物理系統，通過調控量子態的前后選擇可以顯著放大被測的微小物理量，因此已經被廣泛的應用于微小物理參數和物理效應的精密測量。超表面為二維納米結構，通過設計其結構尺寸和周期，可以精確操控測量探針和被觀測量的耦合強度。基于超表面的量子弱測量裝置結構簡單、緊湊，便于集成到傳統顯微成像系統中，可以精確測量透明生物樣本的相位梯度信息，從而重構其定量相位圖像。
在標準量子弱測量中，測量過程通常是由同一個光子實現，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準弱測量的限制，將測量過程推廣到兩個偏振相互糾纏的光子。基于非局域弱測量方法可以對單個光子進行計數，實現對極微弱信號的探測，有效地濾除了時域上不重疊的環境噪聲。非局域弱測量成像是一種超低噪聲的成像技術，增強的靈敏度使其能夠探測到單個光子。非局域弱測量成像方法大幅提升了少數光子條件下的成像信噪比和對比度，避免對光敏細胞的生物物理損傷。此外，基于非局域弱測量方法，可以實現明場、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生物細胞和生物組織的強度和振幅信息。
量子非局域弱測量顯微鏡實驗裝置
該研究成果以“Metasurface-Assisted Quantum Nonlocal Weak-Measurement Microscopy”為題發表在《Physical Review Letters》上，湖南大學物理與微電子科學學院為第一單位，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基金、湖南省自然科學基金、博新計劃項目經費支持。
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