2025年5月28日，布朗大学的学生在激光与电光学会议上展示了“量子多波长全息术”，这是一项具有突破性的成像技术。
该技术的研发源于传统全息成像领域长期存在的两大痛点：一是依赖昂贵的特殊波段探测器（如红外相机），导致设备成本高、普及难度大；二是相位成像易受“相位缠绕”干扰，难以精准捕捉微观物体的3D结构，尤其在生物成像场景中，既需保证成像精度，又要避免对脆弱生物组织造成损伤，传统技术始终难以平衡这一矛盾。
而布朗大学的学生依托布朗大学量子光学实验室的技术支持，从量子纠缠特性切入，创新性地将多波长调控与量子探测结合，成功突破了这些技术瓶颈。
该技术利用量子纠缠来生成详细的3D全息图，无需依赖传统的红外相机。其核心原理是将用于照亮微观物体的不可见红外光与在量子层面上纠缠的可见光配对，通过测量可见光光子来获取关于红外光光子与物体相互作用的信息，从而不仅能捕捉光波的强度，还能捕捉其相位，这是实现真正全息成像的关键要素。
在实验验证中，团队搭建了由纠缠光子源、多波长调控模块、样品载台和硅探测器组成的实验系统：首先通过脉冲激光器激发非线性晶体，生成一对对量子纠缠的红外-可见光光子对；随后将红外“闲置”光子导向待成像的生物样品（如活体细胞切片），可见光“信号”光子则直接传入硅探测器；当红外光子与样品表面或内部结构发生反射、折射后，其携带的相位、强度信息会通过量子纠缠传递给可见光光子，探测器通过分析可见光光子的波动特征，反向重构出样品的3D全息图像。实验数据显示，该系统对活体细胞的成像分辨率可达50纳米，且成像过程中红外光的能量密度仅为传统红外成像技术的1/20，有效避免了生物组织的光损伤。
在该技术中，红外光光子作为“闲置”光子探测目标物体，而实际成像则是通过检测可见光光谱中的“信号”光子来完成的，该信号光子与闲置光子是量子纠缠的。这种方法利用了量子纠缠的“远距离幽灵作用”，即测量一个光子可以立即揭示其纠缠伙伴的信息，即使它们是分开的。与传统全息术相比，量子多波长全息术在成本与性能上实现了双重突破：传统红外全息成像需使用专门的红外探测器，单台设备成本高达数十万美元，且探测灵敏度易受环境温度影响；而该技术采用的硅探测器是实验室常用设备，单价仅数千美元，且在室温环境下即可稳定工作，大幅降低了技术应用门槛。同时，传统单波长相位成像中，当物体深度超过波长的1/4时，就会出现“相位缠绕”，导致图像出现断层或失真；而团队通过两组波长差为10纳米的纠缠光子对，构建出250纳米的合成波长，将可测量的物体深度范围从传统的100纳米扩展至5微米，完全覆盖了大多数生物细胞的尺寸范围，满足了活体细胞动态观测的需求。
量子多波长全息术还解决了基于相位成像中的“相位缠绕”问题。研究团队采用了两组略有不同的闲置和信号光子波长，这种细微的差异有效地创造了一个比原始波长长约25倍的“合成波长”，从而极大地扩展了可测量的深度范围，并显著提高了细胞和生物材料等物体的3D成像精度。
除生物成像外，该技术在半导体检测、材料科学等领域也展现出广阔前景。在半导体芯片制造中，传统检测技术难以观测芯片内部的微观电路缺陷，而量子多波长全息术可利用红外光的穿透性，在不破坏芯片封装的前提下，清晰呈现内部电路的3D结构，帮助工程师快速定位缺陷；在材料科学领域，该技术可用于观测新型复合材料的微观孔隙分布，为优化材料力学性能提供精准的结构数据。
该技术具有重要的应用价值，尤其是在生物成像方面。红外光因其能够穿透皮肤且对脆弱的生物结构安全而受到青睐，但传统上需要昂贵的红外探测器。通过使用红外闲置光子进行探测和可见光信号光子进行检测，该团队可以使用标准的、廉价的硅探测器，使高分辨率生物成像更容易实现。目前，团队已着手优化系统的成像速度，计划将单次成像时间从现有的10毫秒缩短至1毫秒以内，以满足活体细胞动态过程（如细胞分裂、蛋白质运输）的观测需求。
此外，他们还在探索多组纠缠光子对的同步调控，期望进一步扩展成像的波长范围，实现从红外到可见光波段的多光谱量子全息成像，为更复杂的生物组织（如多层细胞群落）观测提供技术支持。这项由本科生团队研发的技术，不仅展现了量子技术在传统成像领域的创新潜力，也为低成本、高分辨率的微观成像技术普及开辟了新路径返回搜狐，查看更多