新闻资讯

山东高等技术研究院量子精密测量团队与加州理工学院合作，在量子光学成像领域取得重要突破。通过量子成像技术，首次在无标记的线性光学系统中实现了超过2倍的量子超分辨增强，将分辨率提升至4倍。相关成果以"Above-twofold quantum super-resolution microscopy enabled by multiple idler passes with entangled biphotons"为题发表于国际顶级综合性期刊《Science Advances》。

经典光学显微成像的空间分辨率受限于光的衍射，其极限由照明波长与数值孔径共同决定。量子成像利用自发参量下转换（SPDC）产生的纠缠双光子态，能够突破经典衍射极限，且无需荧光标记即可有效抑制背景噪声，在极弱光场环境下具有独特优势。然而，过去的超过两倍量子分辨率增强，或依赖非线性光学过程，或需要制备物体的多个物理副本，在实际应用中操作复杂、效率低，难以推广至普遍成像场景。

图1 量子成像系统原理图A.经典成像；B.2倍超分辨；C.4倍超分辨量子成像

针对这一瓶颈，研究团队提出了一种基于闲频光多次通过idler arm的线性光学方案。在纠缠双光子对中，信号光子单次通过待测样品，而闲频光子在无样品的参考臂中通过偏振分束器、法拉第旋转器和半波片等光学元件，实现理论上无损的单次通过（SR2）或三次通过（SR4）。由于符合探测对两臂横向相位之和敏感，闲频光的多次通过等效于增强了系统的空间频率响应，从而在保持线性光学系统简洁性的同时，将分辨率提升至经典极限的四倍。该设计可在经典成像、两倍超分辨和四倍超分辨三种模式间灵活切换。

实验采用405 nm连续波激光泵浦BBO非线性晶体产生810 nm纠缠光子对，通过电子倍增CCD（EMCCD）进行符合计数成像。研究团队以USAF 1951分辨率靶标为样品，系统对比了三种配置下的成像性能。边缘扩散函数（ESF）测量结果显示，经典成像（CI）的焦平面分辨率为2.98 ± 0.42 μm，SR2配置下提升至1.52 ± 0.28 μm，SR4配置下进一步降至0.74 ± 0.22 μm。相对于经典成像，SR2和SR4分别实现了约1.84倍和4.03倍的分辨率增强，统计检验表明该结果具有高度显著性（p < 0.05）。在二维成像中，SR4对靶标细微尖角结构的对比噪声比（CNR）显著优于SR2和经典成像，展现出对亚微米尺度细节的辨识能力。

图2 通过成像USAF target展示4倍量子超分辨

该工作首次证明，在不借助非线性效应、无标记的前提下，量子成像即可实现4倍分辨率提升。这一可扩展的实验方法为高精度、低照度量子显微成像提供了新的技术路径，有望在无标记生物成像、量子精密测量等领域发挥重要作用。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea9457

山东高等技术研究院赫哲副研究员与加州理工学院仝鑫、张以德为该论文共同第一作者。