没有红外相机? 没问题: 美国工程师打破量子规则, 创造3D全息图

通过配对红外光和可见光光子，布朗大学的工程师破解了高保真3D量子成像的密码。

全息成像刚刚迎来一次量子升级。

布朗大学的工程师们，其中包括两名本科生，开发了一种突破性的成像技术。该技术利用量子纠缠来生成详细的3D全息图，而无需依赖传统的红外相机。

这种新颖的技术通过将用于照亮微观物体的不可见红外光与在量子层面上纠缠的可见光配对，不仅捕捉光波的强度，还捕捉其相位 —— 这是实现真正全息成像的关键要素。

其结果就是利用从未实际接触过物体的光，创建出清晰、深度丰富的3D图像。

鬼魅科学邂逅精密成像

“这听起来不可能，但他们做到了，”布朗大学工程学院教授、项目指导研究员之一许建民（Jimmy Xu）教授在一份新闻稿中表示。

这项技术被命名为“量子多波长全息术”（Quantum Multi-Wavelength Holography），它克服了诸如相位卷叠（phase wrapping）等长期存在的挑战，利用双纠缠波长显著扩大了深度范围。

“该技术使我们能够收集关于物体厚度的更好、更准确的信息，从而能够利用间接光子创建精确的3D图像，”布朗大学工程物理专业大三学生、与同窗刘文宇（音译）共同领导该项目的张墨（音译）说。

张墨和刘文宇于本月早些时候在激光与电光学会议（Conference on Lasers and Electro-Optics）上展示了他们的工作。除许建民教授外，该项目还由高级研究员彼得·莫罗什金（Petr Moroshkin）指导。

“你可以称这为‘不用红外相机的红外成像’，”许建民说。“这听起来不可能，但他们做到了。而且他们实现的方式使其生成的图像具有极佳的深度分辨率。”

传统的成像方法，如X射线或普通照片，通过捕捉从物体反射的光来工作。而量子成像则依赖于一种奇特但强大的现象 —— 量子纠缠（爱因斯坦曾称之为“鬼魅般的超距作用”）。

当两个光子发生纠缠时，无论它们相距多远，其中一个的变化都会瞬间影响到另一个。

在这项技术中，一个被称为“闲置”（idler）的光子与物体相互作用，而其纠缠伙伴 —— “信号”（signal）光子则被用来实际形成图像。

水晶般清晰，量子级深度

在布朗团队的新方法中，他们使用一种特殊晶体来产生成对的光子：红外光子用于扫描物体，可见光光子用于创建图像。这种设置带来了巨大优势：红外光非常适合探测精细或隐藏的结构，而可见光则允许使用标准、实惠的探测器进行成像。

“红外波长在生物成像中是首选，因为它们能穿透皮肤且对精细结构安全，但成像需要昂贵的红外探测器，”刘文宇说。

“我们方法的优势在于，我们可以使用红外光来探测物体，但我们用于探测的光却在可见光范围内。因此我们可以使用标准、廉价的硅探测器。”

这项工作的重大突破在于通过解决一个常见问题 —— “相位卷叠”（phase wrapping） —— 将量子成像带入了3D世界。这个问题出现在依赖光波相位（即波峰和波谷）来测量物体深度的成像方法中。当物体上的特征深度超过光波长时，波型可能会重复，导致难以区分浅层特征和深层特征。

为了解决这个问题，布朗团队使用了两组波长略有不同的纠缠光子。这微小的差异产生了一个长得多的“合成”波长，使系统能够精确测量深得多的轮廓，并产生更可靠的3D图像。

“通过使用两个略有不同的波长，我们有效地创造了一个长得多的合成波长 —— 大约是原始波长的25倍，”刘文宇说。“这给了我们一个更大的可测量范围，更适用于细胞和其他生物材料。”

以“B”字为突破

为了向布朗大学（Brown University）致意，该团队成功创建了一个约1.5毫米宽的微型金属字母“B”的全息3D图像，以演示该技术。他们表示，这是一个有力的概念验证，展示了量子纠缠在生成高质量3D图像方面的潜力。刘文宇和张墨都表示，他们很高兴能在国际科学会议上分享他们的工作。

“我们一直在阅读该领域先驱们的论文，所以能参加会议并亲自见到其中一些人真是太棒了，”张墨说。“这真是一个绝佳的机会。”

该研究由美国国防部和美国国家科学基金会资助。

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