港城大探究量子飞秒拉曼光谱技术，可用于分子化学与生物组织检测

　　拉曼光谱技术的研究最早可追溯至 1928 年。当时，印度物理学家钱德拉塞卡拉·文卡塔·拉曼（Chandrasekhara Venkata Raman）首次在实验中观察到，光经过分子后波长发生了改变。宏观上表现为光颜色的变化（例如入射光是蓝光，出射光则变成红光）。
　　拉曼光谱具有可读性好、背景干净、损伤低等优势，在物理、化学、生物、航空航天、医疗诊断等领域广泛应用。
　　在基础研究方面，拉曼光谱技术和其它共振技术互补，能够探测到一些粒子不活跃的状态模式。这些优势对于半导体技术和生物化学的发展至关重要。
　　近年来，X 射线光源和量子技术的革命给拉曼光谱带来新的机遇。量子纠缠作为量子的微观特征，为理解物质结构提供了全新的视野。
　　值得关注的是，研究量子纠缠的几位科学家获得了 2022 年的诺贝尔物理学奖，这进一步彰显出纠缠光的重要性。
　　由于拉曼散射具有双光子特性，科学家可以利用量子纠缠解决传统激光脉冲带来的分辨率瓶颈。
　　基于此，研究者发展了量子飞秒拉曼光谱理论和技术，将原有的相干拉曼技术拓展至量子层面。
　　图 | 香港城市大学物理学系助理教授张哲东（来源：张哲东）
　　香港城市大学物理学系助理教授张哲东博士说：＂具体来讲，我们研究纠缠光子在分子内部传播规律及其与分子的相互作用。＂
　　研究表明，纠缠光与物质耦合后就会携带新的自由度，将相互作用后的辐射光投影出来，便于获取物质结构的更多信息。
　　＂在此过程中，我们让两个纠缠光子先后和分子相互作用，然后同时探测辐射光和另一个闲频光子，专业上叫符合测量。＂张哲东教授补充说。
　　由纠缠光产生的拉曼信号同时还具有良好的时间和频率分辨能力，纠缠光可以由非线性介质产生，遵循严格的能量动量守恒定律。
　　张哲东说：＂非常神奇的是，每个纠缠光子的存在时间可以是几十个飞秒，而它们合在一起又可以产生另一个时间或能量尺度。这实际是一个新的参数空间，可以用来获得分子内部的更多信息。＂
　　为验证此种方法的可行性，研究人员对硝基二苯乙烯和甲烷等有机分子做出详细的计算，证明利用纠缠光的拉曼光谱信号能够清晰地展示出电子在 100fs 内的超快动力学过程。
　　（来源：Light：Science & Applications）
　　近日，相关论文以《纠缠光子使时间-频率分辨的相干拉曼光谱和飞秒尺度电子相干的研究成为可能》（Entangled photons enabled time-frequency-resolved coherent Raman spectroscopy and applications to electronic coherences at femtosecond scale）为题，发表在 Light：Science & Applications 上。
　　张哲东教授为论文第一作者和通讯作者，德州农工大学量子科学与工程研究所的彭涛研究员是共同第一作者，新加坡国立大学量子技术中心博士生聂啸宇，德州农工大学量子科学与工程研究所吉里什·阿加瓦尔（Girish Agarwal）教授和马朗·司嘉理（Marlan Scully）教授是文章的共同作者。后续，该课题组还会在此研究基础上进行量子飞秒受激拉曼光谱的研究。
　　量子纠缠光对信号具有较强的分辨能力
　　量子纠缠光具有高灵敏度、高信噪比和无破坏性的优势。这为光通讯和探测技术的发展带来新的机遇。
　　论文中证明了量子纠缠光通过适当的设计可以规避传统激光脉冲的时间-频率共轭性，进而大幅提升信号的分辨能力和选择性。
　　图 | 纠缠光的物理特性（来源：Light：Science & Applications）
　　另外，时间短的激光脉冲具有极大的谱宽，这使分辨材料的微观状态的能力下降；若使用窄带宽的激光，时间上的分辨率又会降低。因此，二者是此消彼长的关系。
　　量子纠缠带来的新参数空间和非经典关联特性能够帮助科学家突破此瓶颈。与此同时，这些对于研究发展新材料和新的信息技术具有巨大的潜力。
　　此外，克服噪音的影响一直是相关科技发展的核心课题。纠缠光需要使用符合测量作为探测端，也就是进行光子关联计数。这种方式很灵敏，在嘈杂的噪音背景中可以提取微弱的信号。
　　实际样品中存在溶液、杂质和环境噪音的影响。这种测量模式为分子和复杂材料的研究带来巨大的好处。
　　另外，量子纠缠赋予光新的自由度和参数空间。这对于探索小尺度和超快时间尺度下的物理化学过程非常有利，并提供崭新的可能性。
　　总之，纠缠光作为新的探针，提供了新的参数和手段，将为物理、化学、材料学的研究带来新的方向。
　　应用于化学动力学与生物成像
　　据悉，张哲东教 授的更加偏重基础研究，目前主要探索基础原理。对于技术应用方面，量子超快拉曼技术可以用于超弱光检测、生物成像以及化学反应机理的研究。
　　纠缠光结合符合计数会具有极高的灵敏度，对于生物分子和组织的检测具有良好的应用前景。许多生命组织的辐射非常弱，而鉴别它们的结构和性质对医学和制药产业具有重要意义。
　　因此，量子超快拉曼光谱技术可以灵敏地检测出分子的属性和功能特性，为生物光子学甚至医药行业提供新的技术手段。
　　由于量子超快拉曼光谱拥有经典激光达不到的分辨能力，还可以检测出分子过渡态的更多性质。这些将会推进化学反应的进一步研究，为化学工业的新发展奠定基础。
　　此外，鉴于纠缠光具有无损伤的特点，该技术还可以应用于生物成像技术。由于研究蛋白质和 DNA 需要高分辨率和零损伤探测，而量子拉曼光谱恰好具备此种技术优势。
　　张哲东说：＂在不久的将来，一旦引入空间分辨，我们很有信心该技术会给出更清晰、更完整的分子电影。＂
　　量子飞秒拉曼光谱技术超越经典光分辨极限
　　可以说，量子飞秒拉曼光谱技术具有许多创新之处，在量子力学层面提出光与分子相互作用的新范式，厘清了纠缠光子的角色和效用。
　　并且，该研究将量子光学与分子物理相结合，发展了分子-量子光相互作用原理的应用，将量子光学推进到超快的时间尺度。这样，量子光学技术便可以被应用于分子和固体材料的研究。
　　（来源：Light：Science & Applications）
　　该方面一系列工作的亮点是仅利用纠缠光的量子特性便实现了具有高时间-能量分辨能力的拉曼光谱，超越了经典光分辨极限。
　　凭借该亮点，论文发表 7 周后便有超过 3500 次的下载量，获得了   Light: Science & Applications   颁发的最高下载荣誉。
　　该课题组近期关于量子受激拉曼的工作进一步印证了量子纠缠光的优势，并且通过理论计算证明了传统的光谱仪不是必需使用的。这些恰好符合目前的单光子探测技术水平。
　　此方面的技术未来的发展方向会涉及拓展到更广泛意义上的光量子态、材料多样性、更小的尺度与新型的非线性干涉仪。
　　张哲东教授表示，具体来讲，课题组下一阶段的研究方向和目标，一方面是发展量子飞秒拉曼光谱技术的一般理论和方法，拓展至低维半导体材料和其它非经典光。
　　另一方面，他们打算基于光量子态与物质相互作用在介观尺度（几百个纳米）探索新的合作现象与新的量子相干效应。
　　这两方面的研究将会深化对材料发光的理解，提出新的激光技术，为发展新型激光和设计下一代发光器件奠定基础。
　　从长远来看，这些研究在高精度测量、能量存储与转换、信息处理以及空间技术方面有着重要的应用前景。
　　参考资料：
　　1.Zhang, Z., Peng, T., Nie, X. et al. Entangled photons enabled time-frequency-resolved coherent Raman spectroscopy and applications to electronic coherences at femtosecond scale.  Light Sci Appl  11, 274 (2022). https://doi.org/10.1038/s41377-022-00953-y