现代研究在各个领域广泛使用光学显微镜和光谱学，从基础物理学到化学、材料科学和生命科学。随着时间的推移，了解光特性的进步如何促进新的成像应用是令人着迷的。

第一次和第二次量子革命

理解衍射和干涉需要将光视为波。在20世纪初，人们认识到光是一种被称为量子的离散能量单位，这引发了第一次量子革命，建立了整个激光和光子学产业。在第二次量子革命中，可以显示纠缠和叠加的量子态被用于量子技术的应用。由于这些新发现，各种创新的传感和成像方法现在是可行的。

量子显微镜如何克服传统成像系统的局限性

克服传统成像系统的一些限制的一种方法是使用光的量子特征，其中纠缠起着关键作用。纠缠光子对的能量、动量和位置相关性尤为重要。它们能够在无法有效检测的光谱波段进行成像和光谱分析。

除了散粒噪声水平等经典限制之外，通过采用光的某些量子态和相关光子数统计，使传感和成像成为可能。此外，当使用量子光时，双光子荧光显微镜可以在非常低的光强下进行，为光敏生物探针开辟了新的前景。

生物样本成像

由于量子光学原理，有几种方法可以超越光学显微镜中灵敏度和分辨率的传统限制。尽管在概念验证测试中使用了几个概念，但对生物样本进行成像仍然很困难，这主要是因为记录的本质上微弱的信号和光的量子态的脆弱性。然而，从理论上讲，这些量子协议可以通过在不擦除传统信息的情况下引入新信息来提高现有超分辨率方法的能力。

量子光学干涉测量

纠缠光子的明亮源引发了量子光学干涉测量的复兴。量子计量学、量子计算逻辑门、量子光刻、量子密码学和量子隐形传态是一些与量子纠缠相关的独特概念，这些概念已经使用光学干涉测量法来实现，以测试量子力学的基础知识。

为了克服量子计量学中的散粒噪声限制，人们已经开发了新技术。例如，这些技术可以用于生物或化学目标的光纤陀螺仪和传感器。此外，激光雷达和光学光刻等成像技术可能会通过使用这种纠缠来超越瑞利衍射极限。

近期发展

量子图像扫描显微镜 （Q-ISM）

图像扫描显微镜（ISM）是一种新的超分辨率技术，可在不降低信号强度的情况下提高可靠的分辨率。最近，研究人员开发了量子图像扫描显微镜（Q-ISM），通过将ISM与量子光子相关性的测量相结合，将ISM的分辨率提高了两倍，比衍射极限高出四倍。他们开发了Q-ISM概念，并使用光子反聚束（一种量子现象）作为分辨率增强的对比机制，以产生用荧光量子点染色的生物材料的超分辨率光学图像。

范德华传感器

悉尼科技大学（UTS）研究人员创建的量子显微镜平台提供了检查材料特性和物理过程的新技术。

由于基于金刚石氮空位中心的量子传感器倾向于对电磁场或其他刺激做出反应，因此被认为是监测特定物理属性的潜在敏感设备。然而，由于依赖于金刚石等刚性3D晶体中的量子缺陷，使得在使用固态自旋传感器作为显微镜工具时与样品进行密切交互变得具有挑战性。

这种新方法利用了嵌入在六方氮化硼(hBn)微小层中的点缺陷，而不是更大的晶体。作为一种范德华物质，hBn由二维的较弱保持材料层组成。因此，范德华传感器可能使在以前无法到达的材料和目标上使用量子显微镜方法成为可能。

未来展望

量子显微镜能够测量和成像物质和量子粒子的微小特征。由于量子显微镜，一些新的传感和成像技术现在成为可能。本文涵盖的细节强烈暗示量子显微镜将在未来的传感和成像中发挥重要作用。基于hBN的量子显微镜和量子图像扫描显微镜等技术的发展有可能显著提高分辨率。未来的核磁共振和核磁共振成像的化学过程，以及成像和遥感应用，都可能使用基于hBN的量子显微镜完成。

原文链接：https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=2366

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