全息技术“量子飞跃”或彻底改变成像技术

量子全息术。图片来源：英国格拉斯哥大学

根据最新一期的《自然物理学》，英国格拉斯哥大学的物理学家首次发现了一种利用量子纠缠光子将信息编码成全息图的方法。这种新的量子全息术突破了传统全息方法的限制，将允许创建更高分辨率和更低噪声的图像，有助于揭示更好的细胞细节，并进一步了解细胞水平上的生物学功能。

全息术被称为印刷在信用卡和护照上的安全图像，但它还有许多其他实际应用，包括数据存储、医学成像等。经典全息术通过将激光束分成两条路径来创建三维对象的二维渲染。一束激光束直接投射在感光胶片上，称为参考光束；另一束激光束投射在物体上，当被物体反射或透射时，它携带关于物体的信息，这就是物光束。经过处理后，物光束也投射到照相底片的同一区域。

全息图是通过测量相交的两束光束之间的相位差而产生的。相位是物体光束和参考光束的波相互混合和干涉的量。这个过程是通过光的“相干”特性来实现的。

格拉斯哥团队的新量子全息术也使用了两个激光束，但与经典全息术不同，激光束从不重叠。相反，这个过程利用了量子纠缠的独特特性(爱因斯坦的“远鬼”效应)，即使光束永远分离，也能收集到构造全息图所需的相干信息。

研究人员首先通过一种特殊的非线性晶体发射蓝色激光，这种晶体将光束分成两路，并在此过程中产生纠缠光子。这些光子在行进方向和偏振方向上纠缠。

然后，两个纠缠的光子流沿着不同的路径发送。光子流(相当于经典全息术中的物体光束)用于通过测量光子通过时的减速来检测目标物体的厚度和偏振响应。光的波形在通过物体时会有不同程度的偏移，从而改变光的相位。

同时，另一个相当于参考光束的纠缠光子流击中空间光调制器。空间光调制器是一种光学器件，可以部分降低光通过它们的速度。光子一旦通过调制器，其相位就不同于目标物体的纠缠光子流。

在标准全息术中，两条路径稍后会相互重叠，它们之间的相位干涉程度将用于在相机上生成全息图。在研究小组的新量子全息术中，最引人注目的是光子在穿过各自的目标后从不重叠。相反，因为光子是纠缠在一起的，所以每个光子所经历的相移同时被两者所共享。

干涉会发生在远端，用单个百万像素的数码相机测量纠缠光子位置之间的相关性就可以得到全息图。实验表明，相图不仅可以从液晶显示器上编程的字母“UofG”等人造物体中重建，还可以从透明胶带、显微镜载玻片上的硅油滴和鸟羽等真实物体中重建。

研究人员表示，新的研究突破了经典相干性的限制，将全息术带入了量子领域。纠缠光子的使用提供了一种新的方法来产生更清晰和更丰富的全息图，这为该技术的实际应用开辟了新的可能性。