Laboratorium Obrazowania Kwantowego (QIL)

Kierownik zespołu

22 55 32 740

radek.lapkiewicz@fuw.edu.pl

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

Członkowie

mgr Alexander Krupiński-Ptaszek

ORCID ID: 0000-0002-2575-9895

a.krupinski-ptaszek@uw.edu.pl

dr Monika Pawłowska

monika.pawlowska@fuw.edu.pl

mgr Sanjukta Kundu

ORCID ID: 0000-0002-7086-4184

22 55 32 746

sanjukta.kundu@fuw.edu.pl

mgr Bohnishikha Ghosh

ORCID ID: 0000-0001-9272-8864

22 55 32 747

b.ghosh@uw.edu.pl

lic. Adrian Makowski

ORCID ID: 0000-0002-5531-0060

adrian.makowski.96@gmail.com

mgr Jerzy Szuniewicz

ORCID ID: 0000-0002-2623-7167

22 55 46 872

j.szuniewicz@uw.edu.pl

lic. Artur Bogusz

ORCID ID: 0000-0002-5165-0551

a.bogusz@student.uw.edu.pl

mgr Paweł Szczypkowski

ORCID ID: 0000-0001-7247-0675

p.szczypkowski@student.uw.edu.pl

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

Quantum

Self-referenced hologram of a single photon beam

2021

Journal of Physics: Photonics

Embracing the uncertainty: the evolution of SOFI into a diverse family of fluctuation-based super-resolution microscopy methods