量子技术正在彻底改变我们观察微观世界的方式。几十年前还像是科幻小说里才会出现的事情——比如在不损伤活细胞的情况下极其细致地观察它们、追踪晶体中捕获的光的运动，或者逐个拍摄原子——如今在世界各地的顶尖实验室里正逐渐成为常规操作。
得益于能够突破经典分辨率极限的新型量子显微镜，科学家们正在打破一个多世纪以来定义着科学极限的壁垒。从基于纠缠光子的活细胞光学显微镜，到超冷气体的量子模拟器和4D电子显微镜，它们的共同目标都很明确：用更少的光或更低的辐射剂量提取更多信息，并观察到以前根本无法看到的结构。
经典分辨率极限以及为什么普通光线不足以满足需求
在传统光学显微镜中，分辨微小细节的能力受限于所用光的波长。一般来说，只有尺寸至少约为该波长一半的结构才能被分辨出来。
这意味着，使用标准可见光时，存在一个临界点，超过这个点后，仅仅增加放大倍率无法提高分辨率。虽然可以拉近距离观察，但细节会开始模糊，因为光本身的波动性就像一个物理上限。
一个显而易见的改进方法是使用波长更短的光，例如紫光甚至紫外线（UV）。波长越短，显微镜能够分辨的细节就越小。然而，这带来了一个显著的缺点：这些辐射携带的能量更高，可能会损伤甚至杀死活细胞和脆弱的分子，这在细胞生物学、医学或许多高精度实验中是不可接受的。
多年来，研究人员一直在努力寻找这种平衡：如果为了避免烧焦样品而降低光强度，图像就会变得噪点过多、对比度下降，并且丢失关键细节；如果光强度过高或使用能量过高的辐射，样品则会遭受不可逆的损伤。而量子物理学的思想正是在这里发挥作用。
当我们试图兼顾低光强、高灵敏度和极高分辨率时，传统光学就显得力不从心了。在这种情况下，使用精心制备的量子光，例如纠缠光子对，可以帮助我们克服一些限制，并为我们打开通往微观和纳米世界的一扇全新窗口。
在“令人毛骨悚然”的行动和完美的画面之间：量子纠缠
现代物理学中最引人注目的现象之一是量子纠缠。根据量子力学，两个粒子可以紧密关联，以至于一个粒子的状态与另一个粒子的状态紧密相连，而与它们之间的距离无关。阿尔伯特·爱因斯坦将其描述为“幽灵般的超距作用”，因为它与经典物理学的直觉以及他自己的相对论相悖。
在显微镜领域，这种纠缠会产生成对的纠缠光子，称为双光子。从量子力学的角度来看，双光子的行为几乎就像一个复合粒子，其动量约为单个光子的两倍。
量子力学告诉我们，每个粒子都具有波动性。在这个框架下，波长与动量成反比：动量越大，波长越短。这意味着，由于双光子的有效动量更大，其有效波长约为组成它的各个光子的有效波长的一半。
波和粒子之间的这种相互作用很有趣，因为如果我们能让显微镜像使用波长为一半的光一样工作，我们就能看到小一半的细节，而无需对细胞使用能量更高或更具侵略性的辐射。
巧妙地利用量子纠缠，可以实现一些技术，通过保持低能量光子（例如，波长在紫色范围内的约 400 纳米的光子），实现与波长短得多的紫外光（约 200 纳米）相当的分辨率，而不会破坏样品。
量子符合显微镜（QMC）：在不损伤细胞的情况下将分辨率提高一倍
加州理工学院（Caltech）的一组研究人员开发了一种名为量子符合显微镜（QMC）的技术。该方法在《自然通讯》杂志上被描述为“海森堡极限的量子细胞显微镜”，有望将传统光学显微镜的分辨率提高一倍。
量子蒙特卡罗方法的核心思想是利用纠缠光子对形成双光子。这些双光子表现得像一个整体，具有两倍的动量，因此有效波长更短。这样，使用400纳米光（位于紫外光谱边缘）的系统可以达到与200纳米光（覆盖整个紫外光谱范围）相近的分辨率，同时将沉积在样品上的能量控制在更易于管理的水平。
加州理工学院医学工程和电气工程系主任、该研究的主要作者王立宏教授用非常形象的方式总结道：细胞“不适应”紫外光，但如果我们用 400 纳米的波长照射，并达到与 200 纳米波长相同的分辨率效果，细胞就会“高兴”，显微镜也能继续获得更清晰的细节。
这种方法一举解决了经典难题：无需使用极高能量的光即可观察微小结构。通过操控量子纠缠以及配对光子匹配的测量方式，QMC系统使显微镜能够更有效地利用每个光子，同时又不增加对活体样本的潜在损伤。
与传统显微镜只能捕捉到尺寸与所用光波长一半相当的物体细节不同，量子显微镜（QMC）能够观察到更小的结构，同时使用的光线也更加温和。此外，据其研发者称，QMC的实验装置已经是一个可行的系统，而不仅仅是一次性的实验室演示。
QMC 的工作原理详解
为了将这一想法变为现实，加州理工学院的研究团队制造了一种光学装置，其中激光束照射到一种特殊的晶体上。这种晶体旨在将一小部分入射光子转化为纠缠光子对，称为双光子。目前，转化效率非常低（大约每百万个光子中只有一个），但研究人员已经在努力提高这一效率。
双光子产生后，会通过镜子、透镜和棱镜进行分离，使组成它们的两个光子遵循不同的路径。其中一个光子穿过我们要观察的样品（称为信号光子），而另一个光子则不穿过样品（称为空闲光子或非活动光子）。
随后，两个光子继续穿过系统的光学系统，直至到达与计算机相连的探测器。关键在于，计算机并非仅仅计数单个光子，而是计数两个纠缠光子之间的重合事件。利用这些信息，计算机可以重建样本的图像，从而充分利用这对光子的纠缠特性。
令人惊讶的是，尽管光子在穿过细胞或其他物体后各自走不同的路径，但它们仍然保持着量子纠缠，并在被探测时表现得像一个双光子。该系统利用这种量子相干性，使整体表现得如同波长减半一般。
尽管其他研究团队此前已成功获得双光子图像，但王教授的团队认为，这是首个显微分辨的复合图像，展现了一个实用且可重复的系统。他们建立了一套严谨的理论来描述这一过程，开发了一种快速准确的纠缠测量方法，并在真实的生物样本上验证了其有效性。
更详细、更有效地观察活细胞
加州理工学院的研究团队利用量子显微镜对癌细胞进行成像。得益于更高的分辨率，他们能够清晰地识别出传统光学显微镜在同等光照和辐射条件下无法分辨的各种内部结构。
最令人惊讶的是，由于所用辐射能量并不高，细胞在整个过程中既没有受到损伤也没有被破坏。其奥妙在于如何利用双光子携带的量子信息，而不是用能量越来越高的光子“轰击”细胞。
这项技术被视为医学成像和生物医学研究领域一项极具前景的进步。它能够在不破坏活细胞、组织甚至脆弱微生物的情况下，以接近量子物理学极限（即所谓的“海森堡极限”）的分辨率对其进行研究，这为早期诊断、更完善的治疗监测以及对关键生物过程更深入的理解打开了大门。
展望未来，研究人员正在考虑使用两个以上的纠缠光子来进一步提高分辨率，并优化技术以降低光子与环境相互作用产生的背景噪声。每一项改进都将进一步提高最终图像的质量和精度。
与此同时，这项进展为量子计算、密码学和新材料设计等领域的应用奠定了基础，在这些领域中，能够在不损坏纳米结构的情况下对其进行表征的能力是无价的。
量子气体显微镜：冻结原子并逐个观察它们
与此同时，欧洲在另一个互补领域——超冷气体量子显微镜——也取得了进展。一个典型的例子是由卡斯特尔德费尔斯光子科学研究所 (ICFO) 开发的 QUIONE，该显微镜已发表在《PRX Quantum》期刊上。
QUIONE 的工作原理是作为“量子模拟器”，将锶原子冷却到接近绝对零度的温度，将它们排列在光晶格中，并允许对它们进行单独观察，就像将它们放在纸盒的孔中一样，但这是原子尺度的。
传统上，量子气体显微镜依赖于锂或钾等碱金属，因为它们的光学性质更容易操控。将锶——一种光谱更为复杂的碱土金属——引入量子领域，则为模拟更多奇异的材料和物质相态打开了大门。
该过程的原理如下：锶气体的温度在几毫秒内被降低到极低水平，导致原子几乎完全减速并被捕获在光晶格中，光晶格是一种由激光产生的光栅。晶格中的每个位置都像一个微小的能量阱，原子极有可能驻留在其中。
得益于这套装置，研究团队得以获得原子级图像，并研究超流性等现象——在超流性中，锶气体可以无粘性地流动。此外，原子无需克服经典势垒即可在晶格中从一个位置“跳跃”到另一个位置，这种动力学行为直接展现了众所周知的量子隧穿效应。
QUIONE 作为模拟量子处理器和新材料实验室
QUIONE 不仅仅是一台显微镜：从本质上讲，它是一个模拟量子处理器。通过调整光晶格的形状、激光强度、原子间的相互作用以及其他参数，研究人员可以“编程”该系统，使其在高度可控的环境下模拟复杂现实世界材料的行为。
这使我们能够解决一些难题，例如，为什么某些材料在相对较高的温度下能够无损耗地导电（超导性），或者电子是如何组织成拓扑相的，而这些拓扑相目前仍知之甚少。
利用这种量子显微镜以如此高的精度研究锶气体的能力，使得QUIONE成为未来量子计算机及相关技术发展的战略工具。锶尤其适用于构建超高精度原子钟和稳健的量子处理器，因此，拥有能够让我们在单个原子尺度上操控和观察锶的设备，堪称一项真正的科学盛事。
像莱蒂西亚·塔鲁埃尔和她的团队这样的研究人员强调，这种量子模拟将有助于揭开极其复杂的微观系统，为如何设计具有定制特性的新材料提供线索，从改进的超导体到拓扑绝缘体。
因此，我们拥有了一系列量子显微镜，它们不仅能展现世界，还能以微缩的形式重现世界，从而更好地理解世界，而这在不久前似乎还仅限于理论模型。
极低强度量子光：欧洲 Q-MIC 项目
欧洲的Q-MIC项目也对量子显微镜技术做出了重要贡献，该项目同样由ICFO牵头，并与来自意大利和德国的合作者共同开展。自2018年以来，该联盟一直致力于开发一种能够利用极低强度量子光成像的显微镜，其视野更广、灵敏度更高，分辨率也优于传统显微镜。
Q-MIC器件的独特之处在于，它专门设计用于用纠缠光子对照射样品，而不是使用由许多无序光子组成的传统光。这样，每对光子都携带精确相关的信息量，从而可以用更少的总辐射提取更多细节。
在一些应用中，例如某些蛋白质、病毒、分子或活体组织等对样品极其敏感的情况下，获得不会破坏实验的低强度光至关重要。然而，问题在于，降低光强会增加图像的相对噪声，这通常会导致结果模糊。
Q-MIC利用纠缠光子产生的干涉图样克服了这一障碍。它并非简单地记录到达每个像素的光子数量，而是检测穿过光学系统的匹配光子对并对其进行采样，然后利用这些信息，通过先进的数学算法重建图像。
通过这种方法，研究人员已经证明，与传统技术相比，可以在保持光剂量远低于通常水平的同时，将噪声降低 25% 以上，并将测量灵敏度提高 25% 以上。
干涉、萨瓦尔板和图像重建
Q-MIC 的光学核心包括一组萨瓦尔板，这是一种双折射晶体，能够将一束光分成两束具有不同偏振（水平和垂直）且传播路径略有不同的光束，以及类似于光纤系统中使用的导光元件。
当成对纠缠的光子穿过该系统时，萨瓦尔板会将它们的光路分开并引导至样品。如果样品完全平坦且均匀，则光子路径几乎保持不变。但如果样品的厚度、折射率或其他特性存在差异，则会产生相位差，当光束重新组合时，就会形成复杂的干涉图样。
显微镜相机并非以传统方式测量光强，而是记录视野中不同位置的光子到达重合情况。通过多次重复此过程，即可累积双光子干涉图样，从而编码样品精细结构的信息。
借助基于数学和信号处理技术的重建算法，科学家无需逐点扫描系统即可将这些图案转换成精细图像。这使得他们能够以高灵敏度和高分辨率覆盖相对较宽的视野，这对于分析表面和大尺寸样品非常有用。
为了验证改进效果，他们取了一份标准蛋白A样品，该样品沉积在载玻片上，细胞间距相等。他们先用经典光照射样品，再用量子光照射，分别获得两种情况下的干涉图样，并重建图像。结果显而易见：使用量子光照射后，图像更加平滑，噪声更低，结构边缘也更加清晰。
Q-MIC的应用：从柔性材料到病毒
发表在《科学进展》（Science Advances）上的Q-MIC实验结果表明，这种量子照明策略并非仅仅停留在理论层面。其潜在应用领域十分广泛，包括材料科学、柔性电子器件透明表面的分析以及精密涂层的检测等。
此外，它能够在极低光剂量下工作，使其成为研究超敏感微生物（例如某些病毒）以及在强光照射下易降解分子的理想选择。人们还设想将其应用于量子密码学和安全通信等领域，在这些领域中，对纠缠光子的精确控制至关重要。
Q-MIC 显微镜表明，通过正确利用纠缠，我们可以提高每个光子提取的信息质量，降低噪声并提高精度，而无需增加光剂量。
与加州理工学院的 QMC 类型技术一样，Q-MIC 也强化了这样一种观点：显微镜领域的下一个重大革命在于量子光学，而不仅仅是制造更大的透镜或更强大的激光器。
4D量子电子显微镜：观察被困在光子晶体中的光
成像领域的量子革命并非仅限于可见光或超冷气体。在以色列，以色列理工学院（Technion）的研究人员开发出一种超快4D电子显微镜，可以直接观察光子晶体内部的光流，而此前这只能通过计算机模拟进行研究。
该系统最初发表于《自然》杂志，被认为是世界上最先进的近场光学显微镜之一，尽管其技术核心是基于具有独特功能的超快透射电子显微镜。
由伊多·卡米纳教授领导的团队创建了一个实验平台，该平台利用超短光脉冲（持续时间小于100飞秒）激发样品，并用加速至40千伏至200千伏电压的电子脉冲探测样品，以捕捉其瞬态过程。换句话说，该平台在极短的时间间隔内，利用电子束对样品进行“照射”和“成像”。
通过这种配置，可以绘制纳米材料（如光子晶体）中受限的光与自由电子之间的相互作用图，以前所未有的空间和时间分辨率获取有关光场动力学的信息。
实际意义在于，科学家们首次能够直接观察光在光子结构中被捕获和引导时的行为，而无需再像以往那样仅仅依靠模型和模拟进行推断。这为设计具有优化特性的量子材料和光子器件开辟了新的领域，例如，用于更稳定地存储量子比特（qubit）。
自由电子波包和新的量子现象
这项突破的基础是自由电子与光之间超快相互作用的物理学。传统上，量子电动力学（QED）研究的是量子物质（原子、量子点、超导电路等）如何与限制在腔体中的光模式相互作用。它是许多现有量子技术的概念基础。
然而，在这些系统中，电子是束缚的，它们的能量状态、光谱范围和选择定则都受到严格限制。近期的研究进展将注意力转向了另一种实体：自由电子的量子波包。与束缚电子不同，这些波包可以跨越更宽的能量范围，并探索更为多样化的相互作用。
问题在于，尽管对自由电子在光子腔中产生的迷人效应进行了多项理论预测，但由于电子与受限光相互作用的强度和持续时间存在根本限制，因此没有人能够确凿地观察到这些现象。
以色列理工学院的显微镜克服了这一障碍，它直接利用电子的量子特性，实现了近场光学图谱的记录。一项关键的测试是观察电子光谱中的拉比型振荡，这种现象无法用纯粹的经典理论解释。
利用该系统探索的更高效的无光子电子相互作用有望实现强耦合、特殊量子态中的光子合成以及新型非线性现象。所有这些都将使电子显微镜（例如，能够对敏感材料进行低剂量曝光）和其他自由电子物理领域受益。
此外，所获得的知识将有助于提高当前屏幕（例如基于 QLED（量子点）技术的屏幕）的清晰度和色彩对比度，并设计出更均匀的纳米/量子材料，从而实现更高的图像清晰度。
综合来看，加州理工学院的 QMC、欧洲的 Q-MIC、QUIONE 以及以色列理工学院的 4D 显微镜等研究方向，描绘出一幅显微镜学成为一门深刻的量子学科的图景，它能够显示、控制甚至模拟以前只是理论上的梦想的尺度上的物质。
这整个新型量子显微镜生态系统标志着一个转折点：它不再仅仅是观察更小的物体，而是以不同的方式观察，利用纠缠、隧穿、相干性和多粒子干涉等现象来提取几十年前无法想象的信息。随着这些技术的成熟并走出实验室，它们有望彻底改变医学、电子学、材料科学，以及更广泛意义上，我们对现实最本质层面的理解。
