突破衍射极限的量子显微技术

Quantum metrology is the study of making high-resolution and high-sensitivity measurements of physical parameters using quantum theory, particularly with the help of quantum entanglement. It is promising in developing measurement techniques that give better precision than classical techniques. While, the present quantum microscope using photonic entanglement usually occur in far field, which means even the precision of some physical parameters can beat the classical limit, the spatial resolution is still diffraction-limited. We propose to introduce nano-photonic into quantum metrology field, and realize quantum nanoscope and integrated quantum plasmonic sensor. We aim to use plasmonic structures, which can confine energy in nanoscale and have a strong field enhancement, to improve the spatial resolution of quantum metrology techniques. Specifically, our researches focus on the effective propagation of quantum entanglement in plasmonic waveguide, quantum nanoscope with measurement precision and spatial resolution both beyond the classical limit, and new techniques on nanophotonic quantum sensor. Our work may be useful for the realization of integrated, practical quantum metrology processes.

量子计量学的目标是利用量子理论发展独特的测量技术，使得测量的精度超越经典极限。目前基于纠缠光源的量子显微技术主要还集中于远场光学，虽然对相位等物理量的测量精度可以超过经典极限，但是在空间分辨率上，仍然受到光学衍射极限的限制。本项目提出利用微纳光学结构尺寸小、可集成以及突破衍射极限的光局域等特点，结合量子光源，研究突破衍射极限的量子显微技术。我们将解决不同类型量子光源照明显微成像的基本物理机制，以及光敏材料、生物细胞等特殊样品的高分辨率和高灵敏度成像等关键科学问题，开发基于量子光源照明的量子显微镜；研制基于表面等离激元结构的量子近场光学扫描显微镜，实现探测灵敏度超越经典极限和空间分辨率突破衍射极限的成像测量；将量子计量和微纳光学传感结合，开发微纳量子传感测量新技术。本项目的实施将推动量子计量学走向小型化、集成化和实用化。

量子计量学的目标是利用量子理论发展独特的测量技术，使得测量的精度超越经典极限。.目前基于纠缠光源的量子显微技术主要还集中于远场光学，虽然对相位等物理量的测量精度可以超过经典极限，但是在空间分辨率上，仍然受到光学衍射极限的限制。在本项目的支持下，我们利用微纳光学结构尺寸小、可集成以及突破衍射极限的光局域等特点，结合量子光源，研究了突破衍射极限的量子显微技术。我们研究了不同类型量子光源照明显微成像的基本物理机制，开发了基于量子光源照明的量子显微镜；并研制了基于表面等离激元结构的量子近场光学扫描显微镜，实现探测灵敏度超越经典极限和空间分辨率突破衍射极限的成像测量。本项目推动了量子计量学走向小型化、集成化和实用化。在本项目的支持下，我们取得的主要研究成果包括：制备了高亮度双光子和多光子纠缠源；实现了量子N00N态在银纳米线波导中的传输，保真度90%；利用光子关联增强了光学显微镜的灵敏度，提高1.36倍；制备了表面等离激元量子探针，实现了超分辨近场成像，分辨率154nm等。