科羅拉多大學博爾德分校的研究人員設計出了迄今為止最精確的秒表之一–不是用於為奧運短跑運動員和游泳運動員計時，而是用於計算單個光子，或構成光的微小能量。 該小組的發明可能會帶來一系列成像技術的重大改進–從繪製整個森林和山脈的感測器到可以診斷人類疾病（如阿爾茨海默氏症和癌症）的更詳細的設備。 該小組本周在《Optica》雜誌上發表了其成果。

這項新研究的主要作者Bowen Li說，研究的重點是一種被廣泛運用的技術，即時間相關單光子計數（TCSPC）。 它的工作原理有點像你在奧運會上看到的計時器。 科學家們首先用鐳射照射他們選擇的樣品，從單個蛋白質一直到大規模的地質構造，然後記錄反彈回來的光子。 研究人員收集的光子越多，他們對該物體的瞭解就越多。

“TCSPC給你提供了光子的總數。 它也為每個光子擊中你的探測器計時，「科羅拉多大學博爾德分校電氣、計算機和能源工程系（ECEE）的博士後研究員Li說。 “它像一個秒表一樣工作。”

一條城市街道的雷射雷達圖像

現在，這個秒表已經變得比以前更好了。 Li和他的同事使用一種被稱為「時間透鏡」的超快光學工具，表明他們可以測量光子的到達，其精度比現有工具好100多倍。

這項新研究的通訊作者Huang Shuwei補充說，該小組的量子時間透鏡甚至可以與市場上最便宜的TCSPC設備一起使用。 Huang說：「我們可以在幾乎所有的TCSPC系統中加入這種修改，以提高其單光子計時解析度。

這項研究是由科羅拉多大學博爾德分校領導的新近啟動的價值2500萬美元的通過糾纏科學和工程的量子系統（Q-EnSE）中心的一部分。

TCSPC可能不是一個家喻戶曉的名字。 但這項在1960年首次開發的技術，已經徹底改變了人類看世界的方式。 這些光子計數器是雷射雷達（或光探測和測距）感測器的重要組成部分，研究人員用它來製作地質圖。 它們也出現在一種更小規模的成像方法中，稱為螢光壽命顯微鏡。 醫生們採用這種技術來診斷一些疾病，如黃斑變性、阿爾茨海默氏病和癌症。 在樣本上照射一個光脈衝，然後測量它需要多長時間來發射一個光子。 這個時間可以反映材料的屬性，例如細胞的新陳代謝。

然而，傳統的TCSPC工具只能測量到一定精度的時間。 如果兩個光子到達你的設備時距離太近–例如，相隔100萬億分之一秒或更短–探測器會將它們記錄為一個光子。 這有點像兩個短跑運動員在百米衝刺過程中拍照完成。 這種微小的不一致可能聽起來像一個爭論，但當試圖詳細瞭解令人難以置信的小分子時，它們會產生很大的差異。

Li和他的同事們決定嘗試用科學家所說的「時間透鏡」來解決這個問題。

“在顯微鏡中，我們使用光學透鏡將一個小物體放大成一個大圖像，”李說。 “我們的時間透鏡以類似的方式工作，但這是對時間而言的。”

為了理解這種時間扭曲是如何工作的，可以把兩個光子想像成兩個並肩作戰的選手–如此接近，以至於奧運會的計時員都無法將他們區分開來。 李和他的同事將這兩個光子通過他們的時間透鏡，該透鏡是由矽纖維環組成的。 在這個過程中，其中一個光子變慢了，而另一個光子變快了。 與其說是一場激烈的比賽，現在選手之間有一個很大的差距，一個探測器可以記錄。 兩個光子之間的分離將被放大。 而且，該團隊發現，這一策略是有效的。 內置時間透鏡的TCSPC設備可以區分到達檢測器的光子，這些光子的間隙為幾十萬億分之一秒。 這比普通設備所能達到的效果要好幾個數量級。

研究人員在時間透鏡成為科學實驗室的常見設備之前仍有一些工作要做。 但他們希望，他們的工具有一天將允許人類查看物體，從非常小的物體到非常大的物體，都能達到以前不可能達到的清晰程度。