Nature：量子糾纏顯微鏡：揭示前所未見的生命細節

圖片來自昆士蘭大學官網

近日，澳大利亞昆士蘭大學和德國的一組研究人員利用量子糾纏技術建造了一臺量子顯微鏡，并以Quantum-enhanced nonlinear microscopy為題于6月9日發表于Nature，Nature并隨之做出新聞報道。

這種新的顯微鏡能利用量子糾纏來安全地顯示生物樣本，揭示出了原本無法看到的生物結構。這為生物技術的應用鋪平了道路，并且可以遠遠超出此范圍，擴展到從導航到醫學成像等領域。相關領域的研究人員認為，這一突破標志著顯微鏡領域的一次重大飛躍，甚至可能啟動下一場顯微鏡的革命。

受激拉曼散射?(?stimulated Raman scattering，SRS) 增益顯微鏡是一種非線性顯微鏡，用于探測生物分子化學鍵的振動光譜，這使得組織成像無需用熒光染料標記樣品。傳統的光學顯微鏡會受到光子的隨機特性限制，檢測光子的時間隨機性會引入散粒噪聲，從而限制顯微鏡的靈敏度、分辨率和成像速率。

長期以來，解決這個問題的方法是通過增加光的強度來降低噪聲，但這對于生物研究來說并不總是可行，目前最好的光學顯微鏡使用比太陽亮數十億倍的明亮激光，當然在這種光強下，生物過程已不能正常進行，而且也可能超出了光探測器的功率極限。

根據理論預測，通過使用量子相干性來提取光學測量中使用的每個光子的更多信息，從而可以提高信噪比，在不增加光強度的情況下改善生物成像。

研究團隊開發的這種新型相干拉曼散射顯微鏡，使用非線性晶體KTiOPO₄在振幅壓縮狀態下在斯托克斯光子之間引入了量子相干性。在這種量子態中，斯托克斯光子不再完全獨立——這意味著光束中光子數量的波動不再遵循在經典激光束中觀察到的統計分布。從而減少了干涉產生的的散粒噪聲，讓較小的SRS信號從寬闊的本底噪聲顯露出來。量子相干性允許超出傳統顯微鏡的光損傷限制，實現信噪比和成像速度的數量級改進。從而消除了相干拉曼顯微鏡和其他高性能顯微鏡進步的根本障礙。

圖1：壓縮光可降低受激拉曼散射（SRS）顯微鏡中的噪聲。（a）在SRS顯微鏡中，樣品受到一定頻率的激光照射時，導致分子振動并以第二頻率（斯托克斯頻率）發光，從而提供微弱的光信號。再次使用斯托克斯頻率的強激光照射樣品，會增強了分子的發射。激發光和信號光兩個同頻的斯托克斯場在探測器上相長干涉。（b）這種干擾會放大信號，但基本限制（散粒噪聲限制）通常會限制背景噪聲的抑制程度。因此，一些信號可能會在噪聲中丟失。（c）當斯托克斯激光束中的光子處于“壓縮”量子態時，背景噪聲可以降低到散粒噪聲極限以下，SRS信號的信噪比因此增加。圖源Squeezed light improves sensitivity of microscopy technique (nature.com)

圖2：設置原理圖。左圖，通過光學參量振蕩器（OPO）和來自電光調制器（EOM）的20 MHz調制制備泵浦光束（紫色），斯托克斯光束（紅色）在周期性極化的KTiOPO₄晶體中被振幅壓縮，并用532 nm光泵浦；中間，顯微鏡焦點處的樣品中產生受激拉曼散射，通過焦點掃描樣品來產生光柵成像。可同時使用CCD相機和LED進行明場顯微鏡檢查；右圖，過濾掉泵后，檢測到斯托克斯光束，使用頻譜分析儀進行信號處理。

與傳統顯微鏡相比，這種相干性允許對細胞內的分子鍵進行成像，信噪比提高了35%，相當于濃度靈敏度提高14%。這種改進是在不增加激光強度的情況下實現的，從而保持了生物樣品的完整性，使得觀察原本無法解析的生物結構成為了可能。

圖3：量子增強受激拉曼顯微鏡。（a）歸一化為散粒噪聲（s.n.u，散粒噪聲單位）的壓縮光的噪聲光譜。在20MHz 拉曼調制頻率（垂直虛線）附近實現了22%（或1.1 dB）的最大壓縮。（b）在樣品上使用3 mW泵浦光的3 μm聚苯乙烯珠的受激拉曼信號。壓縮的斯托克斯光將總測量噪聲降低到比散粒噪聲（或-0.60 dB）低13%，從而將信噪比 (SNR) 提高15%。（c）隨著泵浦功率的增加，一個3μm 聚苯乙烯顆粒的信噪比。直接確定量子增強信噪比，從散粒噪聲限制和量子增強本底噪聲之比推斷散粒噪聲限制信噪比。

文章通訊作者之一，來自昆士蘭大學量子光學實驗室和ARC工程量子系統卓越中心（ARC Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems (EQUS)）的Warwick Bowen教授表示，這是第一個基于量子糾纏的傳感器，其性能超越了現有技術的最佳水平。

“這一突破將激發各種新技術——從更好的導航系統到更好的MRI機器” 。

圖4：量子增強成像。（a）在樣品的泵浦功率為6 mW的情況下，在 3055 cm^-1的拉曼位移下獲得的3 μm聚苯乙烯珠粒的圖像。背景（綠色）沒有拉曼信號，并受到測量噪聲的限制，該噪聲比散粒噪聲低?0.9 dB，使信噪比提高了23%。（b）在2850 cm^-1拉曼位移的水性緩沖液中活酵母細胞（釀酒酵母）的圖像。幾個細胞器清晰可見，也可以看到可能是細胞膜或細胞壁的模糊輪廓，表明顯微鏡的分辨率約為200 nm。在這里，測量噪聲比散粒噪聲降低了?1.3 dB，相當于信噪比提高了35%。該圖像是在樣本處以大約30 mW的泵浦功率記錄的。210 W μm^-2的泵浦強度低于觀察到的可見細胞損傷的強度。（a）、（b）中的虛線矩形框顯示用于確定測量噪聲的區域，插圖是明場顯微鏡圖像。（c）一系列圖像，其中兩個細胞以與（b）中相同的泵浦功率照射，但聚焦到大約高兩倍的強度。僅曝光幾秒鐘后即可觀察到可見光損傷（中間和底部圖像）。

原文鏈接

Casacio C A, Madsen L S, Terrasson A, et al. Quantum-enhanced nonlinear microscopy[J]. Nature, 2021, 594(7862): 201-206. ?DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03528-w

本文由Silas供稿。