[论文解读] Witnessing the survival of time-energy entanglement through biological tissue and scattering media

Daniel J. Lum, Michael D. Mazurek+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 67被引用 16

一句话总结

本研究证明，通过自发参量下转换产生的时间-能量纠缠光子在穿过厚生物组织后仍能保持非局域量子关联，包括脱脂牛奶（最厚达1.556 mm）、2%牛奶（286 μm）和鸡胸肉（235 μm），其干涉对比度超过90%，表明在与生物成像应用相关的浑浊散射介质中，纠缠态具有强韧的生存能力。

ABSTRACT

We demonstrate the preservation of time-energy entanglement of near-IR photons through thick biological media ($\leq$1.55 mm) and tissue ($\leq$ 235 $\mu$m) at room temperature. Using a Franson-type interferometer, we demonstrate interferometric contrast of over 0.9 in skim milk, 2% milk, and chicken tissue. This work supports the many proposed opportunities for nonclassical light in biological imaging and analyses from sub-shot noise measurements to entanglement-enhanced fluorescence imaging, clearly indicating that the entanglement characteristics of photons can be maintained even after propagation through thick, turbid biological samples.

研究动机与目标

• .
• 研究时间-能量纠缠是否能在室温下通过厚而散射的生物组织传播后依然保持。
• 证明时间与能量中的非经典关联在强散射和吸收条件下仍适用于量子增强生物成像。
• 验证紧凑稳定型弗朗森干涉仪在无需主动相位稳定的情况下，可有效观测复杂生物介质中的纠缠现象。

提出的方法

• .
• 采用带有偏振分束器和波片的改进型“拥抱式”弗朗森干涉仪，通过符合计数测量非局域干涉。
• 光子通过I型自发参量下转换（SPDC）产生，并耦合进单模光纤以最小化空间模式失配。
• 通过使用半波片调节一臂光程长度，并监测不同相位设置下的符合计数率，测量干涉对比度。
• 在探测器前使用偏振片擦除路径信息，从而在不掌握路径信息的前提下观察量子干涉。
• 系统在无主动相位稳定条件下运行，依赖机械稳定性与紧凑折叠式设计以维持相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 .
• RQ2 时间-能量纠缠能否在超过100 μm厚的生物组织中存活？
• RQ3 时间-能量纠缠在生物组织中可被保留的最大深度是多少？
• RQ4 生物介质中的散射与吸收如何影响时间-能量纠缠光子的非局域干涉可见度？
• RQ5 紧凑型、未稳定化的弗朗森干涉仪能否可靠地在浑浊生物样品中观测到纠缠？

主要发现

• .
• 在厚度达1.556 mm的脱脂牛奶中，观察到干涉对比度超过90%，证实了时间-能量纠缠的存活。
• 在2%牛奶中，纠缠在286 μm厚度内仍能保持，干涉对比度高于90%。
• 在鸡胸组织中，时间-能量纠缠在厚度达235 μm的样品中依然存在，可见度超过90%。
• 测得的干涉对比度显著超过70.7%的CHSH-Bell不等式阈值，证实了非经典关联的存在。
• 结果表明，时间-能量纠缠在生物介质中对散射与吸收具有鲁棒性，支持其在量子增强荧光成像与传感中的应用。