布朗大学学生的量子成像突破使3D全息图成为可能

两名布朗大学的本科生开发了一种新的量子技术，可以在不需要红外摄像机的情况下生成高分辨率的3D全息图，这是显微成像领域的一个显著飞跃。

他们的研究成果发表在布朗大学的网站上，可能会在生物成像和全息摄影方面带来经济上的突破，解决一个被称为相位包裹的长期技术挑战。

这种被称为“量子多波长全息”的方法是由张萌（亚萌）和刘文宇在最近的激光与电光会议上公布的。

在高级研究助理peter Moroshkin和Jimmy Xu教授的指导下，两人建立了一个系统，利用可见光与红外光子纠缠来捕捉微观物体的三维图像。

传统上，生物材料的高分辨率成像需要红外波长，因为它们能够安全穿透软组织。

然而，红外摄像机价格昂贵，而且不能广泛使用。学生们的技术通过使用可见光探测器绕过了这一点，同时仍然受益于红外照明。

徐说：“不用红外摄像机，你也可以称之为红外成像。”这听起来不可能，但他们做到了。他们做到了这一点，使其产生的图像具有很高的深度分辨率。”

这项技术依赖于量子纠缠，即两个粒子无论距离如何都保持相互连接的现象。

在这个系统中，“空闲”光子探测物体，而“信号”光子——它的纠缠伙伴——被测量以重建图像。

利用一种非线性晶体，研究小组产生了光子对，其中一个在红外光谱中，另一个在可见光中。

“红外波长是生物成像的首选，但我们不能总是负担得起这种工具，”工程物理和应用数学专业的大四学生刘说。“我们的方法可以让我们使用廉价的硅探测器，同时仍然收集深入、有意义的数据。”

他们面临的最大障碍之一是相位包裹——由于基于波的测量的周期性，成像系统将深轮廓表面误认为浅。

为了克服这个问题，学生们使用了两组波长略有不同的纠缠光子。这产生了比原始波长长近25倍的合成波长，大大增强了深度测量。

“通过使用两种稍微不同的波长，我们有效地创造了更长的合成波长，”刘解释说。“这给了我们更大的可测量范围，适用于细胞和其他生物材料。”

为了验证他们的系统，该团队创造了一个1.5毫米的金属“B”，并成功地成像，向布朗大学致敬。

通过间接光子检测绘制的图像证明了他们的方法可以产生详细和准确的3D表示。

张是工程物理专业的大三学生，他说在会议上与该领域的专家会面的经历和研究本身一样有意义。“我们一直在阅读这一领域先驱的论文，所以参加会议并亲自见到他们中的一些人真是太棒了。”

刘的贡献为他赢得了工程学院的Ionata奖，该奖项旨在表彰独立项目中的杰出创造力。

他们的工作被誉为朝着更容易获得、可扩展和精确的量子成像迈出的重要一步——这将重塑研究人员对微观世界的可视化方式。