全息技術(shù)“量子飛躍”可用于間接醫(yī)學(xué)成像等

WALTER OPPEL/FRAUNHOFER IOF

一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，一種新的量子力學(xué)全息技術(shù)可以生成物體的全息圖，而科學(xué)家們從來(lái)沒(méi)有直接從這些物體上捕獲過(guò)任何光。這一新奇而令人驚訝的發(fā)現(xiàn)可能已經(jīng)有了生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

全息圖是一種圖像，當(dāng)被照亮?xí)r，它的行為很像一個(gè)二維窗口，可以看到一個(gè)三維場(chǎng)景。傳統(tǒng)的全息術(shù)通過(guò)使用激光束掃描物體并將其數(shù)據(jù)編碼到記錄介質(zhì)（如膠片或平板）上來(lái)創(chuàng)建全息圖。

除了圖像顯示之外，全息術(shù)還有很多用途。例如，通過(guò)幫助重建物體的3D形狀和結(jié)構(gòu)，全息圖被稱(chēng)為“醫(yī)學(xué)的進(jìn)步革命”——在骨科、神經(jīng)學(xué)等許多領(lǐng)域有著重要的用途。

然而，全息術(shù)中使用的光傳感器在可見(jiàn)光波長(zhǎng)下工作得最好。這項(xiàng)研究的資深作者、德國(guó)耶拿弗勞恩霍夫應(yīng)用光學(xué)和精密工程研究所的物理學(xué)家Markus Gr?fe說(shuō)，許多全息的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用將受益于使用更難探測(cè)的中焦光。

現(xiàn)在，在量子物理超現(xiàn)實(shí)性質(zhì)的幫助下，Gr?fe和他的同事們發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以在不檢測(cè)任何光線(xiàn)的情況下制作物品的全息圖。

“照亮物體的光線(xiàn)永遠(yuǎn)不會(huì)被探測(cè)到，”Gr?fe說(shuō)，“被探測(cè)到的光從未與物體發(fā)生相互作用。”

量子物理學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵特征是，宇宙在其最小的層次上變成了一個(gè)模糊的地方。例如，原子和宇宙的其他組成部分可以以稱(chēng)為“疊加”的通量狀態(tài)存在，這意味著它們基本上可以同時(shí)位于兩個(gè)或多個(gè)地方。

量子物理學(xué)的一個(gè)結(jié)果是糾纏，在糾纏中，多個(gè)粒子相互關(guān)聯(lián)，可以瞬間影響彼此，而不管它們相距多遠(yuǎn)。產(chǎn)生糾纏光子的一種方法是將光束照射在一種特殊的所謂“非線(xiàn)性晶體”上，這種晶體可以將每個(gè)光子分裂成兩個(gè)能量較低、波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光子（產(chǎn)生的光子對(duì)不一定都是相同的波長(zhǎng)）。

在這項(xiàng)新的研究中，研究人員使用一種非線(xiàn)性晶體將紫色激光束分成兩束，一束是遠(yuǎn)紅外，另一束是近紅外。接下來(lái)，他們用遠(yuǎn)紅光照亮了一個(gè)樣品——一塊刻有符號(hào)的玻璃板，而用相機(jī)記錄了近紅外光。在糾纏的幫助下，他們可以利用近紅外光的數(shù)據(jù)，根據(jù)遠(yuǎn)紅光掃描對(duì)象的細(xì)節(jié)再現(xiàn)全息圖。

“通過(guò)利用光的量子特性，利用不同的光進(jìn)行照明和探測(cè)，就有可能實(shí)現(xiàn)成像和全息，” Gr?fe說(shuō)。

通過(guò)修補(bǔ)非線(xiàn)性晶體和其他組件操縱光的方式，這種新的“量子全息術(shù)”技術(shù)可以使用。“我們甚至可以進(jìn)行視頻圖像處理，”Gr?fe說(shuō)，“下一步是提高性能，并為生物醫(yī)學(xué)成像用可見(jiàn)光中紅外顯微鏡構(gòu)建掃描顯微鏡系統(tǒng)。”

科學(xué)家們上個(gè)月在《科學(xué)進(jìn)步》雜志上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

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