量子全息圖可以成像出從未觀察到的細胞內部的生物學結構和機制

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曾經，全息圖只是一種科學上的罕見而有趣之物。但是，由於激光的飛速發展，它們已逐漸出現在我們現實生活中，出現在護照和鈔票的安全圖像上，科幻電影中（最令人難忘的是《星球大戰》）。

全息術是記錄被物體散射並以三維方式呈現的光的照相過程。這項發現由匈牙利-英國物理學家丹尼斯·加伯（Dennis Gabor）於20世紀50年代初發明，後來獲得了1971年諾貝爾物理學獎。

除鈔票、護照外，全息照相術已成為其他實際應用（包括數據存儲，生物顯微鏡，醫學成像和醫學診斷）的重要工具。

在一種稱為全息顯微術的技術中，科學家制作全息圖來解讀組織和活細胞中的生物機制。例如，這項技術通常被用於分析紅細胞，以檢測是否存在瘧原蟲，並為體外受精過程鑒定精子細胞。

但是現在我們發現了一種新型的量子全息術，可以克服傳統全息術方法的局限性。

這一突破性發現可能會改善醫學成像，並加速量子信息科學的發展。這是一個涵蓋了所有基於量子物理學的技術的科學領域，包括量子計算和量子通信。

全息圖如何工作

經典的全息術通過將一束激光分成兩條路徑來創建三維物體的二維渲染。第一個光束的路徑，即被稱為物體光束，通過照相機或特殊的全息膠片收集的反射光照亮全息對象。第二光束的路徑（稱為參考光束）從鏡子直接反射到采集表面，而不會接觸到被攝對象。

全息圖是通過測量兩束光束相交處的光相位差來創建的。相位是被攝物和被攝物光束的波相互混合和干擾的量。干擾現象有點像遊泳池表面的波浪，在空間中會形成複雜的波浪模式，其中包含波浪互相抵消（波谷）和波及彼此相交（波峰）的兩個區域。

幹涉通常要求光是“相幹的”——在任何地方都有相同的頻率。例如，激光發出的光是相幹的，這就是為什麼在大多數全息系統中使用這種光的原因。

全息糾纏

因此，光學相幹性對於任何全息過程都是至關重要的。但是，我們的新研究通過利用光子之間稱為光子的“量子糾纏”來解決全息照相中相幹性的需求。

常規全息術基本上依賴於光學相幹性，因為，首先，光必須幹涉才能產生全息圖，其次，光必須相幹幹涉。但是，第二部分並不完全正確，因為某些類型的光既可能是非相幹的又會產生幹涉。

由糾纏光子構成的光就是這種情況，它是由量子源以成對分組的粒子流（糾纏光子）的形式發射的。

這些對具有稱為量子糾纏的獨特性質。當兩個粒子糾纏在一起時，它們本質上是相連的，即使它們在空間上可能分開，它們也有效地充當單個對象。結果，對一個糾纏粒子執行的任何測量都會影響整個糾纏系統。

在我們的研究中，每對中的兩個光子被分離並沿兩個不同的方向發送。

一個光子被發送到一個對象，該對象可能是例如載有生物樣品的顯微鏡載玻片。當它撞擊物體時，光子將略微偏離或減慢一點，具體取決於它穿過的樣品材料的厚度。但是，作為量子物體，光子具有令人驚訝的特性，不僅表現為粒子，而且表現為波。

這種波粒二象性使它不僅能在物體撞擊的精確位置探測物體的厚度（就像一個較大的粒子所做的那樣），而且能一次測量整個物體的厚度。樣品的厚度——因此它的三維結構——被“印在”光子上。

由於光子糾纏在一起，因此，印在一個光子上的投影同時被兩個光子共享。干擾現象隨後發生在遠端，而無需重疊光束，並且通過使用單獨的相機檢測兩個光子並測量它們之間的相關性，最終獲得了全息圖。

這種量子全息方法最令人印象深刻的方面是，即使光子從不相互作用，並且可以通過任何距離（稱為"非本地性"）分離，並且由於光子之間存在量子糾纏而啟用，也會發生干擾現象。

所以我們測量的物體和最終的測量可以在地球的兩端進行。

除此之外，在全息系統中使用糾纏代替光學相幹性具有更好的穩定性和抗噪性等實際優勢。這是因為量子糾纏是一種本質上難以獲得和控制的性質，因此具有對外部偏差不太敏感的優點。

這些優點意味著我們可以產生質量比目前的顯微鏡技術更好的生物學圖像。很快，這種量子全息方法可以用來揭示以前從未觀察到的細胞內部的生物學結構和機制。