【重點(diǎn)摘要】

1. 量子相干性和糾纏可以使量子成像和顯微技術(shù)的分辨率和靈敏度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)光學(xué)物理極限。

2. 為實(shí)現(xiàn)這些量子技術(shù),需要使用具備特定功能的檢測(cè)器。

3. 本文旨在強(qiáng)調(diào)基于單光子雪崩二極管(SPAD)的傳感器在量子成像和顯微應(yīng)用中的重要性,為下一代理想的量子成像器鋪平道路。

4. 在回顧了主要的提高樣本圖像分辨率和靈敏度的量子物理原理技術(shù)后,指出了雪崩光電二極管(APD)、增強(qiáng)型耦合電荷探測(cè)器(ICCD)和電子倍增CCD(EMCCD)等不同傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。

5. 然后主要分析了SPAD基傳感器,將其確定為量子成像的最佳候選,并批判性地討論了需求和性能,也與已有的具有特定功能的SPAD架構(gòu)進(jìn)行了關(guān)聯(lián),以配合應(yīng)用。

6. 最終,下一代量子成像器應(yīng)當(dāng)整合在此呈現(xiàn)的所有構(gòu)建方案,以檢測(cè)光子巧合并執(zhí)行高效的事件驅(qū)動(dòng)式讀取,還需利用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和SPAD設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化所討論的檢測(cè)性能。

【解析度的量子革命】利用量子糾纏和相干性,量子光學(xué)技術(shù)將傳統(tǒng)光學(xué)的分辨率和靈敏度推向極限。通過操縱單個(gè)光子和光子對(duì),量子成像系統(tǒng)可觀測(cè)到病毒大小的細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)以及絕緣體材料中的納米級(jí)缺陷。這種操控光的粒子性開啟了成像科學(xué)的新紀(jì)元,將為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用帶來(lái)廣闊前景。

【單光子檢測(cè)的關(guān)鍵性】實(shí)現(xiàn)量子光學(xué)成像的核心是高效和高靈敏的單光子傳感。與傳統(tǒng)的雪崩光電二極管(APD)和增強(qiáng)型耦合電荷探測(cè)器(ICCD)不同,單光子雪崩二極管(SPAD)可以準(zhǔn)確檢測(cè)單個(gè)入射光子及其到達(dá)時(shí)間,從而檢測(cè)不同通道光子的相干性。SPAD傳感器這一優(yōu)勢(shì)使其成為量子成像領(lǐng)域的最佳解決方案。

Enlitech的SPD2200是商業(yè)級(jí)SPD特性分析系統(tǒng)，專注于分析和測(cè)試對(duì)LiDAR技術(shù)重要的SPAD。近期成功賣入全球SPAD前三大晶圓廠之一。它提供了光譜和時(shí)域特性分析模塊，靈活滿足了dToF模塊開發(fā)中多樣的測(cè)量需求，可靈活選擇單個(gè)模塊或綜合使用以進(jìn)行全面性的特性分析。

【光子巧合的量子標(biāo)記】量子成像通常依賴于光子的量子糾纏和相干性。這需要同時(shí)檢測(cè)兩條光路中單個(gè)光子的到達(dá)時(shí)間,以標(biāo)記光子對(duì)的關(guān)聯(lián)性。SPAD傳感器提供皮秒量級(jí)的時(shí)標(biāo)功能,通過事件驅(qū)動(dòng)式讀出高效提取量子光學(xué)成像所需的關(guān)鍵信息,不同于CCD或CMOS成像傳感器獲得的整幅圖像。

【量子效應(yīng)的跨尺度成像】單光子檢測(cè)促進(jìn)了從微觀尺度到生物組織或器官水平的各種跨尺度的量子成像技術(shù)。例如,利用量子光學(xué)原理設(shè)計(jì)的光學(xué)相干斷層掃描可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和組織的三維結(jié)構(gòu)重建;單光子自相關(guān)光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)深部組織的非侵入式檢測(cè)。隨著光子檢測(cè)方法的發(fā)展,量子成像未來(lái)可望在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

【讓我們期待量子世界的新景象】當(dāng)前,集成單光子檢測(cè)的量子相機(jī)和顯微鏡仍屬實(shí)驗(yàn)室概念驗(yàn)證階段,但其呈現(xiàn)的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍已遠(yuǎn)超同類產(chǎn)品。量子光學(xué)成像技術(shù)充分發(fā)揮量子世界的奧秘,必將給人類打開嶄新的景象和認(rèn)知世界的新視野。讓我們共同期待這場(chǎng)成像領(lǐng)域的量子革命!

圖20 帶電柵控SPAD圖像傳感器像素架構(gòu)[64] 采用許可復(fù)制[64] 版權(quán)2018年,SPIE。

圖26 不同工藝制作的SPAD的PDP比較[54,65,81,82] 為完整起見,還增加了與ICCD PI-MAX4-III Gen和EMCCD ANDOR iXon3相關(guān)的PDP。