科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員設(shè)計(jì)了一款迄今為止最精確的秒表，不是用于奧運(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)明可能帶來(lái)一系列成像技術(shù)的重大進(jìn)步，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精密的設(shè)備。該小組的研究成果發(fā)表本周的《光學(xué)》雜志上。

這項(xiàng)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)。它還會(huì)計(jì)算每個(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。

大功告成

黃指出，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，如黃斑變性、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�！�

然而，傳統(tǒng)的 TCSPC 工具只能測(cè)量到一定精度的時(shí)間：如果兩個(gè)光子到達(dá)你的設(shè)備太近，比如相距 100 萬(wàn)億分之一秒或更短，探測(cè)器將它們記錄為單個(gè)光子。這有點(diǎn)像兩個(gè)短跑運(yùn)動(dòng)員在 100 米沖刺中完成照片。

這種微小的不一致聽(tīng)起來(lái)像是在狡辯，但李指出，當(dāng)試圖詳細(xì)了解令人難以置信的小分子時(shí)，它們可以產(chǎn)生很大的不同。

時(shí)間透鏡

因此，他和他的同事決定嘗試使用科學(xué)家所說(shuō)的“時(shí)間透鏡”來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

“在顯微鏡中，我們使用光學(xué)鏡頭將小物體放大成大圖像，”李說(shuō)：“我們的時(shí)間透鏡以類似的方式工作，但適用于時(shí)間。”

要了解時(shí)間失真是如何工作的，請(qǐng)將兩個(gè)光子想象為兩個(gè)并肩比賽的跑步者，如此接近，以至于奧運(yùn)會(huì)計(jì)時(shí)員無(wú)法區(qū)分它們。李和他的同事將這兩個(gè)光子通過(guò)他們的時(shí)間透鏡，時(shí)間透鏡由二氧化硅纖維環(huán)組成。在這個(gè)過(guò)程中，一個(gè)光子減速，而另一個(gè)加速�，F(xiàn)在，跑步者之間的差距不再是一場(chǎng)勢(shì)均力敵的比賽，而是一個(gè)探測(cè)器可以記錄的差距。

“兩個(gè)光子之間的分離將被放大，”李說(shuō)。

而且，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，該策略有效：帶有內(nèi)置時(shí)間透鏡的 TCSPC 設(shè)備可以區(qū)分到達(dá)探測(cè)器的光子，其間隙為數(shù)百千萬(wàn)億分之一秒——比普通設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)的要好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

在時(shí)間透鏡在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中轉(zhuǎn)為應(yīng)用之前，研究人員還有一些工作要做。但他們希望該工具有朝一日能讓人類觀察物體，從微小到巨大，所有這些都是以前不可能達(dá)到的。

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