通過配對紅外光和可見光光子，布朗大學的工程師破解了高保真3D量子成像的密碼。

全息成像剛剛迎來一次量子升級。

布朗大學的工程師們，其中包括兩名本科生，開發了一種突破性的成像技術。該技術利用量子糾纏來生成詳細的3D全息圖，而無需依賴傳統的紅外相機。

這種新穎的技術通過將用于照亮微觀物體的不可見紅外光與在量子層面上糾纏的可見光配對，不僅捕捉光波的強度，還捕捉其相位 —— 這是實現真正全息成像的關鍵要素。

其結果就是利用從未實際接觸過物體的光，創建出清晰、深度豐富的3D圖像。

鬼魅科學邂逅精密成像

“這聽起來不可能，但他們做到了，”布朗大學工程學院教授、項目指導研究員之一許建民（Jimmy Xu）教授在一份新聞稿中表示。

這項技術被命名為“量子多波長全息術”（Quantum Multi-Wavelength Holography），它克服了諸如相位卷疊（phase wrapping）等長期存在的挑戰，利用雙糾纏波長顯著擴大了深度范圍。

“該技術使我們能夠收集關于物體厚度的更好、更準確的信息，從而能夠利用間接光子創建精確的3D圖像，”布朗大學工程物理專業大三學生、與同窗劉文宇（音譯）共同領導該項目的張墨（音譯）說。

張墨和劉文宇于本月早些時候在激光與電光學會議（Conference on Lasers and Electro-Optics）上展示了他們的工作。除許建民教授外，該項目還由高級研究員彼得·莫羅什金（Petr Moroshkin）指導。

“你可以稱這為‘不用紅外相機的紅外成像’，”許建民說。“這聽起來不可能，但他們做到了。而且他們實現的方式使其生成的圖像具有極佳的深度分辨率。”

傳統的成像方法，如X射線或普通照片，通過捕捉從物體反射的光來工作。而量子成像則依賴于一種奇特但強大的現象 —— 量子糾纏（愛因斯坦曾稱之為“鬼魅般的超距作用”）。

當兩個光子發生糾纏時，無論它們相距多遠，其中一個的變化都會瞬間影響到另一個。

在這項技術中，一個被稱為“閑置”（idler）的光子與物體相互作用，而其糾纏伙伴 —— “信號”（signal）光子則被用來實際形成圖像。

水晶般清晰，量子級深度

在布朗團隊的新方法中，他們使用一種特殊晶體來產生成對的光子：紅外光子用于掃描物體，可見光光子用于創建圖像。這種設置帶來了巨大優勢：紅外光非常適合探測精細或隱藏的結構，而可見光則允許使用標準、實惠的探測器進行成像。

“紅外波長在生物成像中是首選，因為它們能穿透皮膚且對精細結構安全，但成像需要昂貴的紅外探測器，”劉文宇說。

“我們方法的優勢在于，我們可以使用紅外光來探測物體，但我們用于探測的光卻在可見光范圍內。因此我們可以使用標準、廉價的硅探測器。”

這項工作的重大突破在于通過解決一個常見問題 —— “相位卷疊”（phase wrapping） —— 將量子成像帶入了3D世界。這個問題出現在依賴光波相位（即波峰和波谷）來測量物體深度的成像方法中。當物體上的特征深度超過光波長時，波型可能會重復，導致難以區分淺層特征和深層特征。

為了解決這個問題，布朗團隊使用了兩組波長略有不同的糾纏光子。這微小的差異產生了一個長得多的“合成”波長，使系統能夠精確測量深得多的輪廓，并產生更可靠的3D圖像。

“通過使用兩個略有不同的波長，我們有效地創造了一個長得多的合成波長 —— 大約是原始波長的25倍，”劉文宇說。“這給了我們一個更大的可測量范圍，更適用于細胞和其他生物材料。”

以“B”字為突破

為了向布朗大學（Brown University）致意，該團隊成功創建了一個約1.5毫米寬的微型金屬字母“B”的全息3D圖像，以演示該技術。他們表示，這是一個有力的概念驗證，展示了量子糾纏在生成高質量3D圖像方面的潛力。劉文宇和張墨都表示，他們很高興能在國際科學會議上分享他們的工作。

“我們一直在閱讀該領域先驅們的論文，所以能參加會議并親自見到其中一些人真是太棒了，”張墨說。“這真是一個絕佳的機會。”

該研究由美國國防部和美國國家科學基金會資助。

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