量子陰影　革命性方法揭示隱藏在雜訊中影像

編譯／高晟鈞

近日，來自華沙大學與史丹佛大學的科學家開發了一種創新的量子成像技術，可以抵抗相位雜訊，並在極其昏暗的照明下運行。

革新的影像技術

無論你使用的是智慧型手機，抑或是先進的顯微鏡對細胞進行成像，它的原理都是透過像素測量光的強度來實現的。然而強度並不是光唯一的特性，我們也能夠透過「相位」來對影像進行成像。

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光線在穿透透明的樣品時會產生微小的相位差，這個相位差可以被轉換為圖像中的振幅或對比度的變化，並用來成像。

Frits Zernike憑藉相差顯微鏡獲得了1953年諾貝爾獎，這項發明在生物醫學成像領域掀起了一場革命，因為它能夠獲得各種透明和光學薄樣品的高解析度影像。相差顯微鏡最大的價值便是可以觀察未經染色的標本與活細胞（染色會對細胞造成傷害），並在神經生物學與癌症研究中發揮巨大價值。

相位差成像的挑戰

干涉測量法是一種標準測量方法，用於在被檢查物體的任何點進行精確厚度測量。然而，只有當系統穩定、不受任何衝擊或乾擾時，干涉測量法才得以進行。因此在行駛的汽車或是其他晃動物體中進行此測量非常具有挑戰性。

站在巨人的肩膀上

早在60年代， Leonard Mandel和他的團隊就曾證明，即使無法檢測到干擾的強度，相關性也可以揭示其存在。基於此理論，研究團隊成功將光強度測量用於相位成像上。

研究團隊重新證明，在使用光強度進行測量時，即使單張相片可能無法獲得有用的附加訊息；然而，在基於干涉的相位顯微鏡中，即使標準干涉圖平均丟失所有相位資訊並且強度中沒有記錄條紋，也可以進行觀察。

這些信息可以透過分析物體的多張獨立照片來恢復，從而使我們能夠獲得完美的干涉圖。原理是透過將穿過相位物體（我們想要研究的目標）的光與參考光疊加。在物體和參考光束之間引入隨機相位延遲—此相位延遲模擬阻礙標準相位成像方法的干擾。

這種方法可以免受時間相位雜訊的影響，並且可以在任意長的時間內累積資料來測量。這不只意味著更多的光子，還意味著更高的精確度。

基於強度相關性的相位成像方法可廣泛應用於非常雜訊的環境中。而新的方法則適用於經典光（雷射和熱）和量子光，例如：光子計算（使用單光子雪崩二極體），或是在光線不足或無法使用高光強度（例如精緻的生物樣本或藝術品）的情況時。

資料來源:Scitechdaily

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