英国格拉斯大学和赫瑞-瓦特大学组成的一个物理团队提出了一种全场、无扫描的量子成像技术，并演示了利用平均每帧7个光子对的光子通量重建具有微米级深度特征的图像的能力。使用单光子雪崩二极管相机，研究人员测量了Hong–Ou–Mandel (HOM)干涉仪输出端的聚束和反聚束光子对分布，并将其结合起来，以提供样品的低噪声图像。这种方法证明了HOM显微镜作为一种工具在极低光子状态对透明样品进行无标记成像的可能性。相关研究成果于4月11日发表在《自然•光子学》上。
Hong-Ou-Mandel (HOM) 效应于1987年被发现，并以三位发现者的名字命名。当单个光子进入分束器（半透半反镜）时，要么反射，要么透射，各自的相对概率由分束器的反射率决定。当两个光子从两个端口同时进入时，如果光子全同，它们总是从相同的输出端口离开分束器，这一过程称为“聚束”。如果它们变得更加可区分（例如，因为它们到达的时间不同或波长不同），它们各自进入不同探测器的概率就会增加。通过干涉仪信号可以准确测量路径长度和时序。该效应为线性光学量子计算中的逻辑门提供了一种潜在的物理机制。也可用于量子传感，通过在分束器的一个输出端口和光电探测器之间放置一个透明表面，在探测光子所需的时间内引入一个非常微小的延迟。对延迟的复杂分析有助于重建表面厚度等细节。
现在，格拉斯哥的团队已将其应用于显微镜，使用单光子敏感相机来测量聚束和反聚束光子并解析表面的显微图像。在其论文中，他们展示了如何使用他们的实验装置获取高分辨率图像，在平均厚度为13微米的显微镜载玻片上喷涂一些透明的丙烯酸，并在大约8微米深处蚀刻一组拼写为“UofG”的字母。他们的研究结果表明，可以对分辨率在1 ~ 10微米之间的表面创建细致、低噪声的图像，产生接近常规显微镜的结果。
无标记的生物成像和光诱导效应成像需要很低光子通量，且要求光源本身不对生物样品进行修饰，或者至少在单光子水平上提供可控的修饰，这就为这种量子显微技术提供了应用场景。格拉斯哥大学物理与天文学学院的 Daniele Faccio 教授是该论文的通讯作者。Faccio 教授说：“传统显微镜中的样品需要保持完全静止——即使很小的振动也会引入一定程度的模糊，从而破坏图像。然而，HOM 干涉只需要测量光子相关性，对稳定性的需求要少得多。现在我们已经确定可以通过利用 Hong-Ou-Mandel 效应来构建量子显微镜，我们热衷于改进这项技术，使其能够解析纳米级图像。实现这一目标需要一些巧妙的工程，但能够清楚地看到细胞膜甚至 DNA 链等极小特征的前景令人兴奋。我们期待着继续完善我们的设计。”
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-022-00980-6
报道链接：https://phys.org/news/2022-04-imaging-breakthrough-aid-quantum-microscopes.html