Laboratorium Obrazowania Kwantowego (QIL)

We współpracy z grupami profesora Yarona Silberberga i profesora Dana Orona z Instytutu Weizmanna w Izraelu, opracowaliśmy dwie nowe techniki fluorescencyjnej mikroskopii super-rozdzielczej oparte na mikroskopii skanowania obrazem (ang. Image Scanning Microscopy, ISM). Obie te metody opierają się na pomiarach korelacji liczby fotonów. Pierwsza z metod, kwantowa mikroskopia skanowania obrazem (Q-ISM) wykorzystuje efekt antygrupowania fotonów  [1], podczas gdy metoda SOFISM (ang. Super-resolution Optical Fluctuation Image Scanning Microscopy) opiera się na miganiu emiterów fluorescencji (np. cząsteczek barwników albo kropek kwantowych) [2]. Co ciekawe, oba te efekty występują w powszechnie stosowanych fluoroforach, w związku z czym nasze metody są stosunkowo proste do wdrożenia w obrazowaniu biologicznym bez znaczącej zmiany metod przygotowania próbek. Co więcej, układ zastosowany w obu metodach jest prostą modyfikacją mikroskopu konfokalnego: wystarczy zastąpić fotopowielacz przez macierz detektorów. 

Zbudowaliśmy kamerę ze wzmacniaczem obrazu zdolną do wykrywania pojedynczych fotonów z wysoką rozdzielczością przestrzenną i czasową. Wykorzystaliśmy kamerę w dwóch eksperymentach z interferencją w słabym świetle i złożyliśmy europejskie zgłoszenie patentowe dotyczące samego urządzenia [8]. 

Kamery wykrywające pojedyncze fotony są coraz szerzej stosowane w nowoczesnej optyce. Kamery ze wzmacniaczem obrazu zapewniają wysoką rozdzielczość przestrzenną i możliwość czasów bramkowania poniżej nanosekund, ale są ograniczone przez szybkość odczytu klatek z kamer sCMOS. To prowadzi do długiego czasu akwizycji, gdy kamera jest używana do obserwacji procesów losowych. Zaproponowaliśmy i eksperymentalnie zademonstrowaliśmy układ, w którym można kontrolować liczbę fotonów wykrywanych w każdej klatce. Osiągnęliśmy to poprzez adaptywne bramkowanie wzmacniacza obrazu w zależności od liczby zdarzeń wykrytych przez szybki detektor, który monitoruje wzmacniacz obrazu. Zastosowanie naszego systemu może zwiększyć szybkość akwizycji danych, a tym samym umożliwić eksperymenty ze zliczaniem fotonów, które nie były możliwe przy użyciu standardowych kamer ze wzmacniaczem obrazu [J Szuniewicz i in., Frontiers in Optics 2020, FW7A.4]. Naszą kamerę jednofotonową wykorzystaliśmy w dwóch doświadczeniach opisanych poniżej.

W pierwszym doświadczeniu przedstawiliśmy interferometryczną metodę pomiaru frontu falowego pojedynczego fotonu. Umożliwia ona pełną charakterystykę dwuwymiarowej amplitudy prawdopodobieństwa pojedynczego fotonu. Co ważne, w przeciwieństwie do metod wykorzystujących foton odniesienia do pomiaru fazy, nasza technika polega na interferencji pojedynczego fotonu z sobą samym. Układ doświadczalny składa się z heraldowanego źródła pojedynczych fotonów z nieznaną fazą przestrzenną oraz interferometru Mach-Zehndera z filtrem przestrzennym w jednym z ramion. Filtr przestrzenny usuwa nieznaną fazę przestrzenną, a przefiltrowana wiązka interferuje z nieznaną wiązką przechodzącą przez drugie ramię interferometru. Technikę tę można zastosować do charakteryzowania dowolnych czystych stanów przestrzennych pojedynczych fotonów.

W drugim doświadczeniu zademonstrowaliśmy obrazowanie fazowe odporne na szum [J. Szuniewicz i in., Rochester Conference on Coherence and Quantum Optics (CQO-11), 2019, Tu5A.4]. Metody interferometryczne są niezbędne do wykonywania precyzyjnych pomiarów i zazwyczaj wymagają spójności między wiązką mierzoną i referencyjną. Kiedy przesunięcie fazowe między tymi wiązkami zmienia się losowo, interferogram uśrednia się, usuwając wszystkie przestrzenne informacje o fazie. Zaproponowaliśmy i zademonstrowaliśmy doświadczalnie, że nawet wtedy, gdy prążków interferencyjnych pierwszego rzędu nie można zaobserwować z powodu niewystarczającej liczby fotonów w czasie gdy prążki interferencyjne są stabilne, można zmierzyć fazę przestrzenną wiązki. Nasze wyniki pokazują, że pomiary korelacji fotonów z rozdzielczością przestrzenną umożliwia holografię i interferometrię w warunkach, w których zawodzą tradycyjne metody.