全息技术“量子飞跃”可用于间接医学成像等

WALTER OPPEL/FRAUNHOFER IOF

一项新的研究发现，一种新的量子力学全息技术可以生成物体的全息图，而科学家们从来没有直接从这些物体上捕获过任何光。这一新奇而令人惊讶的发现可能已经有了生物医学应用。

全息图是一种图像，当被照亮时，它的行为很像一个二维窗口，可以看到一个三维场景。传统的全息术通过使用激光束扫描物体并将其数据编码到记录介质（如胶片或平板）上来创建全息图。

除了图像显示之外，全息术还有很多用途。例如，通过帮助重建物体的3D形状和结构，全息图被称为“医学的进步革命”——在骨科、神经学等许多领域有着重要的用途。

然而，全息术中使用的光传感器在可见光波长下工作得最好。这项研究的资深作者、德国耶拿弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所的物理学家Markus Gräfe说，许多全息的生物医学应用将受益于使用更难探测的中焦光。

现在，在量子物理超现实性质的帮助下，Gräfe和他的同事们发现了一种方法，可以在不检测任何光线的情况下制作物品的全息图。

“照亮物体的光线永远不会被探测到，”Gräfe说，“被探测到的光从未与物体发生相互作用。”

量子物理学的一个关键特征是，宇宙在其最小的层次上变成了一个模糊的地方。例如，原子和宇宙的其他组成部分可以以称为“叠加”的通量状态存在，这意味着它们基本上可以同时位于两个或多个地方。

量子物理学的一个结果是纠缠，在纠缠中，多个粒子相互关联，可以瞬间影响彼此，而不管它们相距多远。产生纠缠光子的一种方法是将光束照射在一种特殊的所谓“非线性晶体”上，这种晶体可以将每个光子分裂成两个能量较低、波长较长的光子（产生的光子对不一定都是相同的波长）。

在这项新的研究中，研究人员使用一种非线性晶体将紫色激光束分成两束，一束是远红外，另一束是近红外。接下来，他们用远红光照亮了一个样品——一块刻有符号的玻璃板，而用相机记录了近红外光。在纠缠的帮助下，他们可以利用近红外光的数据，根据远红光扫描对象的细节再现全息图。

“通过利用光的量子特性，利用不同的光进行照明和探测，就有可能实现成像和全息，” Gräfe说。

通过修补非线性晶体和其他组件操纵光的方式，这种新的“量子全息术”技术可以使用。“我们甚至可以进行视频图像处理，”Gräfe说，“下一步是提高性能，并为生物医学成像用可见光中红外显微镜构建扫描显微镜系统。”

科学家们上个月在《科学进步》杂志上详细介绍了他们的发现。

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