量子鬼影成像利用红外光安全地对活体植物进行成像

量子鬼成像（QGI）是一种利用量子力学原理在极低光强下捕获图像的技术，它可能提供了一种拍摄活体植物图像的方法，同时避免植物暴露于有害波长下。QGI还无需向植物样本中注入染料或其他标记物，从而进一步保护这些脆弱的样本。

将QGI用于活体植物成像，有助于促进生物燃料作物（如高粱）的开发，通过优化植物生长以实现最大产量和可持续性。

洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的一个研究小组使用非简并QGI（QGI的一种高级形式），用远低于星光的光强获取活体植物的图像。研究人员表明，QGI可用于极低光生物成像以及成像那些需要低强度光照以防止光毒性或样本降解的光敏样本。

量子纠缠现象使得可以使用非简并QGI在一种波长下探测样本，并使用在另一种波长下具有相关性的光子形成样本的图像。使用一种低强度颜色（与样本最匹配），并使用另一种强度更高的颜色来形成样本的图像。这种光谱分离减少了对近红外（NIR）区域具有高灵敏度成像探测器的需求，从而降低了所需的照明强度。

▲量子鬼成像（QGI）原理：（上图）为高粱植株及量子鬼成像显微镜拍摄的高粱活叶图像。明亮的斑点为气孔排列。（下图）为二进制测试目标，包括《吃豆人》游戏中的鬼魂形象和洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）标志。图片由洛斯阿拉莫斯国家实验室的视觉设计师保罗·齐奥梅克（Paul Ziomek）和科学家邓肯·瑞安（Duncan Ryan）提供。

研究人员开发了一种用于无标记生物成像的QGI显微镜。为了提高图像质量和对比度，他们使用了NCam（夜间相机），这是一种擅长相关的单光子探测器。使用NCam，他们获得了光透射率低至1%的活体植物图像，证明了非简并QGI具有出色的灵敏度。

使用这种方法成像的植物在成像过程中仅暴露于每平方厘米3阿托瓦（3 aW/cm²）的光下。使用红外光检测植物中只能用红外波长观察到的化学物质。与早期的QGI演示和最新的单光子雪崩二极管阵列实验相比，NCam为QGI提供了改进的相关指标和噪声抑制。

研究人员将QGI的应用从二进制测试目标扩展到厚且完整、未受干扰的活体植物成像，包括高粱、兔脚蕨和香菜叶样本。当关注植物在近红外下的吸水特性时，研究人员获得了透射率低于5%的高对比度图像。植物叶片上的气孔在夜间关闭以减少水分流失。由于QGI所需的照明强度非常低，研究人员注意到了气孔的关闭。

据研究人员所知，这是首次在复杂生物体上演示QGI。QGI显微镜无需像微切片那样的侵入性样本制备。也无需标记，因为可能会干扰植物过程。

在这项工作中，LANL团队表明使用QGI进行实用生物成像是可能的。使用QGI拍摄活体植物图像可能会推动基于QGI的近红外成像在新应用领域的使用，在这些领域，低光条件对于保持样本完整性至关重要。

该研究成果已发表在杂志《Optica》