Laboratorium Obrazowania Kwantowego (QIL)

Laboratorium Obrazowania Kwantowego (QIL)

Tematyka badawcza

Stosujemy techniki liczenia fotonów do obrazowania. Stworzyliśmy metodę obrazowania fazowego, opartą na pomiarach korelacji położeń fotonów, która jest odporna na fluktuacje fazy.

W ramach współpracy z grupami Dana Orona i Yarona Silberberga zademonstrowaliśmy nowe metody mikroskopii super-rozdzielczej Q-ISM i SOFISM oparte na pomiarach kwantowych i klasycznych korelacji czasowych światła fluorescencji. Obecnie pracujemy nad zastosowaniem naszych metod w obrazowaniu neuro-biologicznym.

Strona internetowa grupy

Fluorescencyjna mikroskopia kwantowa

We współpracy z grupami profesora Yarona Silberberga i profesora Dana Orona z Instytutu Weizmanna w Izraelu, opracowaliśmy dwie nowe techniki fluorescencyjnej mikroskopii super-rozdzielczej oparte na mikroskopii skanowania obrazem (ang. Image Scanning Microscopy, ISM). Obie te metody opierają się na pomiarach korelacji liczby fotonów. Pierwsza z metod, kwantowa mikroskopia skanowania obrazem (Q-ISM) wykorzystuje efekt antygrupowania fotonów  [1], podczas gdy metoda SOFISM (ang. Super-resolution Optical Fluctuation Image Scanning Microscopy) opiera się na miganiu emiterów fluorescencji (np. cząsteczek barwników albo kropek kwantowych) [2]. Co ciekawe, oba te efekty występują w powszechnie stosowanych fluoroforach, w związku z czym nasze metody są stosunkowo proste do wdrożenia w obrazowaniu biologicznym bez znaczącej zmiany metod przygotowania próbek. Co więcej, układ zastosowany w obu metodach jest prostą modyfikacją mikroskopu konfokalnego: wystarczy zastąpić fotopowielacz przez macierz detektorów. 

Kamera rejestrująca pojedyncze fotony z wysoką rozdzielczością czasową i przestrzenną

Zbudowaliśmy kamerę ze wzmacniaczem obrazu zdolną do wykrywania pojedynczych fotonów z wysoką rozdzielczością przestrzenną i czasową. Wykorzystaliśmy kamerę w dwóch eksperymentach z interferencją w słabym świetle i złożyliśmy europejskie zgłoszenie patentowe dotyczące samego urządzenia [8]. 

Kamery wykrywające pojedyncze fotony są coraz szerzej stosowane w nowoczesnej optyce. Kamery ze wzmacniaczem obrazu zapewniają wysoką rozdzielczość przestrzenną i możliwość czasów bramkowania poniżej nanosekund, ale są ograniczone przez szybkość odczytu klatek z kamer sCMOS. To prowadzi do długiego czasu akwizycji, gdy kamera jest używana do obserwacji procesów losowych. Zaproponowaliśmy i eksperymentalnie zademonstrowaliśmy układ, w którym można kontrolować liczbę fotonów wykrywanych w każdej klatce. Osiągnęliśmy to poprzez adaptywne bramkowanie wzmacniacza obrazu w zależności od liczby zdarzeń wykrytych przez szybki detektor, który monitoruje wzmacniacz obrazu. Zastosowanie naszego systemu może zwiększyć szybkość akwizycji danych, a tym samym umożliwić eksperymenty ze zliczaniem fotonów, które nie były możliwe przy użyciu standardowych kamer ze wzmacniaczem obrazu [J Szuniewicz i in., Frontiers in Optics 2020, FW7A.4]. Naszą kamerę jednofotonową wykorzystaliśmy w dwóch doświadczeniach opisanych poniżej.

W pierwszym doświadczeniu przedstawiliśmy interferometryczną metodę pomiaru frontu falowego pojedynczego fotonu. Umożliwia ona pełną charakterystykę dwuwymiarowej amplitudy prawdopodobieństwa pojedynczego fotonu. Co ważne, w przeciwieństwie do metod wykorzystujących foton odniesienia do pomiaru fazy, nasza technika polega na interferencji pojedynczego fotonu z sobą samym. Układ doświadczalny składa się z heraldowanego źródła pojedynczych fotonów z nieznaną fazą przestrzenną oraz interferometru Mach-Zehndera z filtrem przestrzennym w jednym z ramion. Filtr przestrzenny usuwa nieznaną fazę przestrzenną, a przefiltrowana wiązka interferuje z nieznaną wiązką przechodzącą przez drugie ramię interferometru. Technikę tę można zastosować do charakteryzowania dowolnych czystych stanów przestrzennych pojedynczych fotonów.

W drugim doświadczeniu zademonstrowaliśmy obrazowanie fazowe odporne na szum [J. Szuniewicz i in., Rochester Conference on Coherence and Quantum Optics (CQO-11), 2019, Tu5A.4]. Metody interferometryczne są niezbędne do wykonywania precyzyjnych pomiarów i zazwyczaj wymagają spójności między wiązką mierzoną i referencyjną. Kiedy przesunięcie fazowe między tymi wiązkami zmienia się losowo, interferogram uśrednia się, usuwając wszystkie przestrzenne informacje o fazie. Zaproponowaliśmy i zademonstrowaliśmy doświadczalnie, że nawet wtedy, gdy prążków interferencyjnych pierwszego rzędu nie można zaobserwować z powodu niewystarczającej liczby fotonów w czasie gdy prążki interferencyjne są stabilne, można zmierzyć fazę przestrzenną wiązki. Nasze wyniki pokazują, że pomiary korelacji fotonów z rozdzielczością przestrzenną umożliwia holografię i interferometrię w warunkach, w których zawodzą tradycyjne metody.

2021

Physical Review A

Characterizing mixed-state entanglement through single-photon interference

2019

Nature Photonics, 13, 116-122

Super-resolution enhancement by quantum image scanning microscopy

2019

Physical Review A, 100, 053839

Nonclassicality of induced coherence without induced emission

  • M. Lahiri
  • A. Hochrainer
  • R. Łapkiewicz
  • G. Barreto Lemos
  • A. Zeilinger

2017

Phys. Rev. A 95, 033816

Partial polarization by quantum distinguishability

  • M. Lahiri
  • A. Hochrainer
  • R. Łapkiewicz
  • G. Barreto
  • A. Lemos
  • A. Zeilinger

2017

Phys. Rev. A 96, 013822

Twin-photon correlations in single-photon interference

  • M. Lahiri
  • A. Hochrainer
  • R. Łapkiewicz
  • G. Barreto
  • A. Lemos
  • A. Zeilinger

2017

Phys. Rev. A 96,

Twin-photon correlations in single-photon interference

  • Mayukh Lahiri
  • Armin Hochrainer
  • R. Łapkiewicz
  • Gabriela Barreto Lemos
  • Anton Zeilinger

2016

Phys. Rev. Lett. 116, 090405

Automated search for new quantum experiments

2016

Applied Physics B 122, 151

Thermal lens in a liquid sample with focal length controllable by bulk temperature

  • Krzysztof Dobek
  • Mikołaj Baranowski
  • Jerzy Karolczak
  • Dariusz Komar
  • Kamila Kreczmer
  • J. Szuniewicz