空間もつれと偏光もつれによる生物の量子イメージング

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2024-03-08 19:12:25
ファン・レーウェンフックの最初の顕微鏡以来、光学イメージングは、さまざまな物理的および生物学的システムの構造とダイナミクスを非侵襲的に調査するために広く使用されてきました。1、 2）。 光学イメージングの主な利点は、非電離光と分子の相互作用により、生体サンプルに関する豊富な分子情報が得られることです。 光学システムの利便性とコンパクトさのおかげで、光学イメージングは生物学研究者や医療従事者にとって、さまざまな発見の主力として機能してきました (3）。 過去 20 年間に、超解像を可能にする高度な光学イメージング技術が開発されました (1、 4) と高速 (5、 6）バイオイメージング。 ただし、高解像度と高速イメージングを実現するには、ほとんどの光学イメージング技術では、研究中の生物学的プロセスを妨害したり損傷したりする可能性がある強力な照明が必要です（2）。 低強度の照明では、ショット ノイズや迷光により信号対雑音比 (SNR) が低下する可能性があります。古典的な光源に依存する既存の光学イメージング技術の限界を克服するには、相関エンタングルを使用する量子イメージング アプローチが必要です。 、またはスクイーズされた光子が開発されました (7–13）。 古典的な光学イメージングと比較して、量子イメージングには次の利点があります（14、 15）。 まず、古典的なショット ノイズの限界を超えることができ、低強度照明下でのサブショット ノイズ (SSN) イメージングが可能になります (12、 13、 16–23）。 第二に、迷光を抑えることができる（10、 24、 25）。 第三に、回折限界を超えた超解像イメージングが可能になります（8、 26–32）。 これらの利点を活用して、量子イメージングは生物学的標本を調査するために使用されてきました (8、 11、 33）、構造が複雑で、光退色や熱損傷を受けやすい可能性があります。 このような利点にもかかわらず、これまでに報告されている生物学的標本の量子画像は、2 つの主な理由により依然として SNR が低いという問題があります。 まず、SSN を達成するために必要な条件は厳しいです。たとえば、吸収が弱い試料や量子効率の高い検出器が必要です (16、 18–20、 34）。 第 2 に、一致率を正確に取得するには、かなりの数の測定が必要です。 画像処理に固有の時間制約を考慮すると、大規模な測定でこの要件を満たすことは困難であることが判明し、多くの場合、同時計数率の不正確な決定やノイズの多い決定が発生します (7、 10、 15、 25、 32）。 さらに、メガピクセルの広視野カメラは存在しますが (35–37)、解像度可能なピクセル数 [i.e., the ratios of the field of view (FOV) to the spatial resolution area] ほとんどの量子イメージング手法は依然として低く、一般に 10,000 ピクセル未満 (7–11）。 さらに、画像のタイリングやスティッチングは、取得時間が長いため、既存の広視野法では実用的ではありません。 したがって、生物全体にわたる FOV による生物学的システムの複数の部分の系統的な調査が必要となることが多い実際の生物学的研究には適していません。 最後に、既存の量子イメージング技術には透過率 (吸収) と複屈折位相遅延を測定する機能がありますが、量子イメージングによる複屈折特性の包括的な定量化はまだ達成されていません (10、 38–43ここでは、生体試料の高品質画像を生成する、より高い SNR、より多くの分解能ピクセル数、および完全な複屈折定量化量子イメージング技術である、もつれからの偶然によるイメージング (ICE) を紹介します。 低強度照明下では、ICE は生画像の共分散を使用する SSN アルゴリズムを使用して、以前の方法よりも高い SNR を実現します。 同時に、ICE は、各ピクセル内のもつれ光子ペアの複数の空間モードに対応することにより、既存の量子イメージング技術に比べて SNR を大幅に向上させます。この場合、単一の空間モードはシステムの回折限界によって制限されます (44、 45）。 ICE の空間解像度は、「もつれピンホール」と呼ばれる量子効果を介してシグナル光子とアイドラー光子の両方によって決定されます。 この効果では、もつれ合った光子ペアが 2 つの検出器によって同時に捕捉されると、一方の検出器は、もう一方の検出器によって撮像される物体上の仮想ピンホールとして非古典的に機能します。 さらに、ICE はラスター スキャンを通じて分解可能なピクセル数を増加させ、従来のイメージングよりも迷光に対する耐性が 25 倍高くなります。 その結果、ICE は、最大 7 mm × 4 mm の FOV で全器官 (マウス脳) スライスおよび生物 (ゼブラフィッシュ) の量子イメージングを可能にし、周囲照明の存在下でも操作できるため、実用的な生物学研究に適しています。 最後に、ICE は、定量的な量子複屈折イメージングのために光子ペアの偏光もつれを利用します。ここで、完全な複屈折特性 (複屈折位相遅延と主屈折率軸角度の両方を含む) が得られます。46–48) 物体の入射光子の偏光状態を変えることなく、遠隔から瞬時に定量化できます。 したがって、ICE の量子的な利点により、古典的なイメージングでは満足できない条件下での生物学的標本の観察や、完全な複屈折特性のリモートセンシングが可能になります。
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