科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員設(shè)計(jì)了迄今為止最精確的秒表之一——不是用于為奧運(yùn)會(huì)短跑運(yùn)動(dòng)員和游泳運(yùn)動(dòng)員計(jì)時(shí)，而是用于計(jì)算單個(gè)光子或構(gòu)成光的微小能量包。
該團(tuán)隊(duì)的發(fā)明可能會(huì)導(dǎo)致一系列成像技術(shù)的重大改進(jìn)——從繪制整個(gè)森林和山脈的傳感器到可以診斷阿爾茨海默氏癥和癌癥等人類疾病的更詳細(xì)的設(shè)備。該小組本周在Optica雜志上發(fā)表了其結(jié)果。
新研究的主要作者李博文表示，該研究側(cè)重于一種廣泛應(yīng)用的技術(shù)，稱為時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù) (TCSPC)。它的工作原理有點(diǎn)像你在奧運(yùn)會(huì)上看到的計(jì)時(shí)器：科學(xué)家首先用激光照射他們選擇的樣本，從單個(gè)蛋白質(zhì)一直到大型地質(zhì)構(gòu)造，然后記錄反射回它們的光子。研究人員收集的光子越多，他們對(duì)那個(gè)物體的了解就越多。
“TCSPC 為您提供光子總數(shù)。這也是每個(gè)光子撞擊探測(cè)器的時(shí)間，”CU Boulder電氣、計(jì)算機(jī)和能源工程系(ECEE)的博士后研究員 Li 說(shuō)。“它就像一個(gè)秒表。”
現(xiàn)在，秒表變得比以往任何時(shí)候都好。使用一種稱為“時(shí)間透鏡”的超快光學(xué)工具，李和他的同事表明，他們可以以比現(xiàn)有工具高 100 倍以上的精度測(cè)量光子的到達(dá)。
新研究的通訊作者 Shu-Wei Huang 補(bǔ)充說(shuō)，該小組的量子時(shí)間透鏡甚至可以與市場(chǎng)上最便宜的 TCSPC 設(shè)備配合使用。
“我們可以將這種修改添加到幾乎任何 TCSPC 系統(tǒng)中，以提高其單光子定時(shí)分辨率，”ECEE 助理教授 Huang 說(shuō)。
該研究是由 CU Boulder 領(lǐng)導(dǎo)的新推出的、耗資 2500 萬(wàn)美元的量子系統(tǒng)糾纏科學(xué)與工程(Q-SEnSE) 中心的一部分。
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黃說(shuō)，TCSPC 可能不是一個(gè)家喻戶曉的名字。但這項(xiàng)于 1960 年首次開(kāi)發(fā)的技術(shù)徹底改變了人類看待世界的方式。這些光子計(jì)數(shù)器是激光雷達(dá)(或光探測(cè)和測(cè)距)傳感器的重要組成部分，研究人員用它來(lái)創(chuàng)建地質(zhì)圖。它們還出現(xiàn)在稱為熒光壽命顯微鏡的更小規(guī)模的成像方法中。醫(yī)生使用該技術(shù)來(lái)診斷一些疾病，如黃斑、阿爾茨海默病和癌癥。
“人們?cè)谒麄兊臉悠飞险丈涔饷}沖，然后測(cè)量發(fā)射光子需要多長(zhǎng)時(shí)間，”李說(shuō)。“那個(gè)時(shí)間告訴你材料的特性，比如細(xì)胞的新陳代謝。”
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