科羅拉多大學博爾德分校的研究人員設計了迄今為止最精确的秒表之一——不是用于為奧運會短跑運動員和遊泳運動員計時，而是用于計算單個光子或構成光的微小能量包。

該團隊的發明可能會導緻一系列成像技術的重大改進——從繪制整個森林和山脈的傳感器到可以診斷阿爾茨海默氏症和癌症等人類疾病的更詳細的設備。該小組本周在Optica雜志上發表了其結果。

這項新研究的主要作者李博文表示，該研究側重于一種廣泛應用的技術，稱為時間相關單光子計數 (TCSPC)。它的工作原理有點像你在奧運會上看到的計時器：科學家首先用激光照射他們選擇的樣本，從單個蛋白質一直到大型地質構造，然後記錄反射回它們的光子。研究人員收集的光子越多，他們對那個物體的了解就越多。

“TCSPC 為您提供光子總數。它還會計算每個光子撞擊探測器的時間，”CU Boulder 電氣、計算機和能源工程系 (ECEE) 的博士後研究員 Li 說。“它就像一個秒表。”

現在，秒表變得比以往任何時候都好。使用一種稱為“時間透鏡”的超快光學工具，李和他的同事表明，他們可以以比現有工具高 100 倍以上的精度測量光子的到達。

新研究的通訊作者 Shu-Wei Huang 補充說，該小組的量子時間透鏡甚至可以與市場上最便宜的 TCSPC 設備配合使用。

“我們可以将這種修改添加到幾乎任何 TCSPC 系統中，以提高其單光子定時分辨率，”ECEE 助理教授 Huang 說。

該研究是由 CU Boulder 領導的新推出的、耗資 2500 萬美元的量子系統糾纏科學與工程 (Q-SEnSE) 中心的一部分。

照片整理

黃說，TCSPC 可能不是一個家喻戶曉的名字。但這項于 1960 年首次開發的技術徹底改變了人類看待世界的方式。這些光子計數器是激光雷達（或光探測和測距）傳感器的重要組成部分，研究人員用它來創建地質圖。它們還出現在稱為熒光壽命顯微鏡的更小規模的成像方法中。醫生使用該技術來診斷一些疾病，如黃斑變性、阿爾茨海默病和癌症。

“人們在他們的樣品上照射光脈沖，然後測量發射光子需要多長時間，”李說。“那個時間告訴你材料的特性，比如細胞的新陳代謝。”

然而，傳統的 TCSPC 工具隻能測量到一定精度的時間：如果兩個光子到達你的設備太近——比如相距 100 萬億分之一秒或更短——探測器将它們記錄為單個光子。這有點像兩個短跑運動員在 100 米沖刺中完成照片。

這種微小的不一緻聽起來像是在狡辯，但李指出，當試圖詳細了解令人難以置信的小分子時，它們可以産生很大的不同。

時間鏡頭

因此，他和他的同事決定嘗試使用科學家所說的“時間鏡頭”來解決這個問題。

“在顯微鏡中，我們使用光學鏡頭将小物體放大成大圖像，”李說。“我們的時間鏡頭以類似的方式工作，但适用于時間。”

要了解時間失真是如何工作的，請将兩個光子想象為兩個并肩比賽的跑步者——如此接近，以至于奧運會計時員無法區分它們。Li 和他的同事将這兩個光子通過他們的時間透鏡，時間透鏡由二氧化矽纖維環組成。在這個過程中，一個光子減速，而另一個加速。現在，跑步者之間的差距不再是一場勢均力敵的比賽，而是一個探測器可以記錄的差距。

“兩個光子之間的分離将被放大，”李說。

而且，該團隊發現，該策略有效：帶有内置時間透鏡的 TCSPC 設備可以區分到達探測器的光子，其間隙為數百千萬億分之一秒——比普通設備可以實現的要好幾個數量級。

在時間透鏡在科學實驗室中變得普遍之前，研究人員還有一些工作要做。但他們希望他們的工具有朝一日能讓人類觀察物體，從非常小到非常大——所有這些都是以前不可能的清晰度。

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