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单光子成像技术，利用光子在特定条件下的纠缠现象，正以其反直觉的特性在成像领域中快速发展。这一技术的核心在于，纠缠的光子对中一个光子的状态一旦发生变化，无论两者距离多远，另一个光子的状态也会同时改变。

山东高等技术研究院赫哲副研究员与加州理工学院团队合作，在单光子成像领域取得了显著进展。2023年5月共同发表了如何通过纠缠光实现超分辨显微镜，并有效避免了成像光对生物样本的潜在损害（Nature Communications 14 (1), 2441）。最近，团队最新研究发表在《Science Advances》期刊上，展示了单光子成像技术在成像整个器官切片及小型生物体方面的应用潜力。

光的偏振，作为其基本属性之一，被广泛用于探测相位型物体。面对这类样品时，仅通过光强度或颜色的变化难以获得高质量图像，通过控制光的偏振则能揭示样品与其背景之间的对比度。此外，某些样品对偏振光的改变提供内部结构的信息，如双折射材料。双折射材料会根据光的偏振的不同改变折射率。最常见的双折射材料是方解石晶体。此外，生物材料，如纤维素、淀粉和许多类型的动物组织，包括胶原蛋白和软骨，也是双折射的。如果将具有双折射性质的样品放置在相互成90度角的两个偏光片之间，则通过样品的一些光偏振会被改变并被探测到。然后，检测到的光可以提供有关样品结构的图像和信息。例如，在材料科学中，使用双折射测量可以更好地了解物质中机械应力积聚的区域。

这项最新的显微技术，称为 Imaging by coincidence from entanglement (ICE)。ICE系统通过BBO晶体产生纠缠光子对。在ICE系统中，穿过双折射介质的信号光子与其参考光子被单光子计数器独立探测。传统双折射测量方法需通过调整三种不同的输入偏振并在探测端匹配三种偏振状态以测量样品对光场的改变。这一技术面临远距离探测，如太空探测时会难以实施。设想一个探测目标位于距离地球遥远的系统，例如磁场，此时可通过卫星发射纠缠光子对进行探测。在这种情况下，利用传统技术通过发送信号来调整系统滤光片的偏振状态几乎不可能实现。然而，ICE技术可以利用单光子纠缠的特性进行测量，即通过改变一个光子的偏振状态可等效地改变另一个光子的状态，即使它们相隔遥远。

这一突破不仅优化了双折射成像流程，还在消除环境噪声和提高图像质量方面展现出巨大潜力。ICE利用了纠缠光的时间关联性质消除了环境噪声。该工作还进一步利用这一性质重建了单光子时间关联计数，使图像突破了经典光学的散粒噪声极限。这些优势使ICE在弱光场探测中拥有超越经典光学的信噪比。

该文章发表于《Science Advances》，题为Quantum imaging of biological organisms through spatial and polarization entanglement，赫哲副研究员为共同第一作者。