Quantum scanning synthetic optical holography
本文通过将合成光学全息术与利用未探测光进行的量子成像相结合，将其扩展至量子领域，从而实现了通过可见光波长检测进行无标记、衍射极限的中红外相位成像，并使空间分辨率与光子对相关性相解耦。
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想象一下，你是一名试图破解谜题的侦探，但你有一个非常奇怪的规则：你只能用眼睛观察线索，然而这些线索对你而言却是隐形的。这就是**量子不可探测光成像（QIUL）**的世界。在这个物理学的角落里，科学家们使用了一种特殊的技巧，利用人类肉眼看不见的、比如中红外光（感觉像热量一样）的光来“观察”物体，但他们实际上只使用可见光来通过相机进行观测。它的原理就像一对神奇的双胞胎：其中一个双胞胎（不可见光）去拜访物体并了解它的秘密，而另一个双胞胎（可见光）则留在家里。因为它们是量子双胞胎，所以它们联系如此紧密，以至于当第一个双胞胎带着消息回来时，第二个双胞胎即便从未离开过家，也能瞬间知道发生了什么。这使得科学家能够使用安全的可见光来完成工作，从而拍摄那些通常会灼伤或损坏相机的物体。
然而，这个谜题中还缺少一个关键环节。虽然科学家们可以拍摄物体的“亮度”图像，但他们一直难以拍摄出光线穿过物体时是如何“减速”的。这种“减速”被称为相位，而相位对于观察像玻璃、水或活细胞这类透明物体至关重要，且无需使用染料进行染色。长期以来，获取这些相位信息需要对整个场景进行一次宽泛且模糊的全景拍摄。但是，如果你想逐点扫描一个物体，就像激光笔在页面上移动那样，该怎么办呢？如何在使用这种不可见光技巧的同时，获得一个完整且详细的“相位图”？
这篇论文介绍了一种聪明的全新方法，称为量子扫描合成全息术。可以这样理解：想象一下，你正试图通过听取声音撞击物体后产生的回声来确定隐藏物体的形状。如果你只是站在原地，回声会让人感到困惑；但如果你在喊叫的同时前后走动，变化的回声就会创造出一种模式，从而揭示物体的形状。研究人员对光也做了类似的操作。他们构建了一个系统，在该系统中，他们用不可见的中红外光扫描样本，同时移动路径中的可见光伴侣光束中的一面镜子。这种运动创造了一种“合成”波纹模式，就像池塘里的涟漪一样，将隐藏物体的形状编码进可见光中。
团队通过在三种不同类型的“谜题”上进行测试，证明了该方法是有效的。首先，他们观察了一个二值掩模（一种简单的黑白图案），以证明该系统可以读取基本结构。接着，他们转向了一块刻有“IOF”字母的真正透明玻璃板。由于玻璃是透明的，它不会阻挡光线，因此普通相机什么也看不见。但他们的新型量子扫描仪通过测量光线穿过刻痕时如何减速，成功揭示了这些字母。最后，他们接受了终极测试：一簇人类癌细胞。这些细胞大部分是水，几乎是透明的。该系统成功绘制了细胞簇的整体形状和厚度，而没有使用任何荧光染料或标记，展示了该技术能够以非侵入且安全的方式观察生物结构。
研究人员发现，通过仔细控制镜子的移动速度，他们可以分离出光信号的不同部分，从而重建清晰的图像。他们展示了该系统可以分辨出小至17微米（约人类头发的宽度）的特征，并且可以测量玻璃厚度的微小变化，检测出相位偏移小至0.82弧度。虽然该系统无法看到细胞内部极其微小的细节（因为这些细节小于系统的当前极限），但它成功捕捉到了细胞群的整体“形态”或形状。这项工作证明，你可以将逐点扫描的安全性和量子成像的力量结合起来，仅使用可见光探测器来观察透明、热敏感或生物物体，为在不接触的情况下观察微观世界开辟了新的途径。
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