Nature：量子纠缠显微镜：揭示前所未见的生命细节

图片来自昆士兰大学官网

近日，澳大利亚昆士兰大学和德国的一组研究人员利用量子纠缠技术建造了一台量子显微镜，并以Quantum-enhanced nonlinear microscopy为题于6月9日发表于Nature，Nature并随之做出新闻报道。

这种新的显微镜能利用量子纠缠来安全地显示生物样本，揭示出了原本无法看到的生物结构。这为生物技术的应用铺平了道路，并且可以远远超出此范围，扩展到从导航到医学成像等领域。相关领域的研究人员认为，这一突破标志着显微镜领域的一次重大飞跃，甚至可能启动下一场显微镜的革命。

受激拉曼散射 ( stimulated Raman scattering，SRS) 增益显微镜是一种非线性显微镜，用于探测生物分子化学键的振动光谱，这使得组织成像无需用荧光染料标记样品。传统的光学显微镜会受到光子的随机特性限制，检测光子的时间随机性会引入散粒噪声，从而限制显微镜的灵敏度、分辨率和成像速率。

长期以来，解决这个问题的方法是通过增加光的强度来降低噪声，但这对于生物研究来说并不总是可行，目前最好的光学显微镜使用比太阳亮数十亿倍的明亮激光，当然在这种光强下，生物过程已不能正常进行，而且也可能超出了光探测器的功率极限。

根据理论预测，通过使用量子相干性来提取光学测量中使用的每个光子的更多信息，从而可以提高信噪比，在不增加光强度的情况下改善生物成像。

研究团队开发的这种新型相干拉曼散射显微镜，使用非线性晶体KTiOPO₄在振幅压缩状态下在斯托克斯光子之间引入了量子相干性。在这种量子态中，斯托克斯光子不再完全独立——这意味着光束中光子数量的波动不再遵循在经典激光束中观察到的统计分布。从而减少了干涉产生的的散粒噪声，让较小的SRS信号从宽阔的本底噪声显露出来。量子相干性允许超出传统显微镜的光损伤限制，实现信噪比和成像速度的数量级改进。从而消除了相干拉曼显微镜和其他高性能显微镜进步的根本障碍。

图1：压缩光可降低受激拉曼散射（SRS）显微镜中的噪声。（a）在SRS显微镜中，样品受到一定频率的激光照射时，导致分子振动并以第二频率（斯托克斯频率）发光，从而提供微弱的光信号。再次使用斯托克斯频率的强激光照射样品，会增强了分子的发射。激发光和信号光两个同频的斯托克斯场在探测器上相长干涉。（b）这种干扰会放大信号，但基本限制（散粒噪声限制）通常会限制背景噪声的抑制程度。因此，一些信号可能会在噪声中丢失。（c）当斯托克斯激光束中的光子处于“压缩”量子态时，背景噪声可以降低到散粒噪声极限以下，SRS信号的信噪比因此增加。图源Squeezed light improves sensitivity of microscopy technique (nature.com)

图2：设置原理图。左图，通过光学参量振荡器（OPO）和来自电光调制器（EOM）的20 MHz调制制备泵浦光束（紫色），斯托克斯光束（红色）在周期性极化的KTiOPO₄晶体中被振幅压缩，并用532 nm光泵浦；中间，显微镜焦点处的样品中产生受激拉曼散射，通过焦点扫描样品来产生光栅成像。可同时使用CCD相机和LED进行明场显微镜检查；右图，过滤掉泵后，检测到斯托克斯光束，使用频谱分析仪进行信号处理。

与传统显微镜相比，这种相干性允许对细胞内的分子键进行成像，信噪比提高了35%，相当于浓度灵敏度提高14%。这种改进是在不增加激光强度的情况下实现的，从而保持了生物样品的完整性，使得观察原本无法解析的生物结构成为了可能。

图3：量子增强受激拉曼显微镜。（a）归一化为散粒噪声（s.n.u，散粒噪声单位）的压缩光的噪声光谱。在20MHz 拉曼调制频率（垂直虚线）附近实现了22%（或1.1 dB）的最大压缩。（b）在样品上使用3 mW泵浦光的3 μm聚苯乙烯珠的受激拉曼信号。压缩的斯托克斯光将总测量噪声降低到比散粒噪声（或-0.60 dB）低13%，从而将信噪比 (SNR) 提高15%。（c）随着泵浦功率的增加，一个3μm 聚苯乙烯颗粒的信噪比。直接确定量子增强信噪比，从散粒噪声限制和量子增强本底噪声之比推断散粒噪声限制信噪比。

文章通讯作者之一，来自昆士兰大学量子光学实验室和ARC工程量子系统卓越中心（ARC Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems (EQUS)）的Warwick Bowen教授表示，这是第一个基于量子纠缠的传感器，其性能超越了现有技术的最佳水平。

“这一突破将激发各种新技术——从更好的导航系统到更好的MRI机器” 。

图4：量子增强成像。（a）在样品的泵浦功率为6 mW的情况下，在 3055 cm^-1的拉曼位移下获得的3 μm聚苯乙烯珠粒的图像。背景（绿色）没有拉曼信号，并受到测量噪声的限制，该噪声比散粒噪声低 0.9 dB，使信噪比提高了23%。（b）在2850 cm^-1拉曼位移的水性缓冲液中活酵母细胞（酿酒酵母）的图像。几个细胞器清晰可见，也可以看到可能是细胞膜或细胞壁的模糊轮廓，表明显微镜的分辨率约为200 nm。在这里，测量噪声比散粒噪声降低了 1.3 dB，相当于信噪比提高了35%。该图像是在样本处以大约30 mW的泵浦功率记录的。210 W μm^-2的泵浦强度低于观察到的可见细胞损伤的强度。（a）、（b）中的虚线矩形框显示用于确定测量噪声的区域，插图是明场显微镜图像。（c）一系列图像，其中两个细胞以与（b）中相同的泵浦功率照射，但聚焦到大约高两倍的强度。仅曝光几秒钟后即可观察到可见光损伤（中间和底部图像）。

原文链接

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。