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【重點摘要】

1. 量子相干性和糾纏可以使量子成像和顯微技術的分辨率和靈敏度遠超傳統光學物理極限。

2. 為實現這些量子技術,需要使用具備特定功能的檢測器。

3. 本文旨在強調基于單光子雪崩二極管(SPAD)的傳感器在量子成像和顯微應用中的重要性,為下一代理想的量子成像器鋪平道路。

4. 在回顧了主要的提高樣本圖像分辨率和靈敏度的量子物理原理技術后,指出了雪崩光電二極管(APD)、增強型耦合電荷探測器(ICCD)和電子倍增CCD(EMCCD)等不同傳感器的優缺點。

5. 然后主要分析了SPAD基傳感器,將其確定為量子成像的最佳候選,并批判性地討論了需求和性能,也與已有的具有特定功能的SPAD架構進行了關聯,以配合應用。

6. 最終,下一代量子成像器應當整合在此呈現的所有構建方案,以檢測光子巧合并執行高效的事件驅動式讀取,還需利用適當的技術和SPAD設計來優化所討論的檢測性能。

【解析度的量子革命】利用量子糾纏和相干性,量子光學技術將傳統光學的分辨率和靈敏度推向極限。通過操縱單個光子和光子對,量子成像系統可觀測到病毒大小的細胞組織結構以及絕緣體材料中的納米級缺陷。這種操控光的粒子性開啟了成像科學的新紀元,將為生物醫學應用帶來廣闊前景。

【單光子檢測的關鍵性】實現量子光學成像的核心是高效和高靈敏的單光子傳感。與傳統的雪崩光電二極管(APD)和增強型耦合電荷探測器(ICCD)不同,單光子雪崩二極管(SPAD)可以準確檢測單個入射光子及其到達時間,從而檢測不同通道光子的相干性。SPAD傳感器這一優勢使其成為量子成像領域的最佳解決方案。

Enlitech的SPD2200是商業級SPD特性分析系統，專注于分析和測試對LiDAR技術重要的SPAD。近期成功賣入全球SPAD前三大晶圓廠之一。它提供了光譜和時域特性分析模塊，靈活滿足了dToF模塊開發中多樣的測量需求，可靈活選擇單個模塊或綜合使用以進行全面性的特性分析。

【光子巧合的量子標記】量子成像通常依賴于光子的量子糾纏和相干性。這需要同時檢測兩條光路中單個光子的到達時間,以標記光子對的關聯性。SPAD傳感器提供皮秒量級的時標功能,通過事件驅動式讀出高效提取量子光學成像所需的關鍵信息,不同于CCD或CMOS成像傳感器獲得的整幅圖像。

【量子效應的跨尺度成像】單光子檢測促進了從微觀尺度到生物組織或器官水平的各種跨尺度的量子成像技術。例如,利用量子光學原理設計的光學相干斷層掃描可以實現細胞和組織的三維結構重建;單光子自相關光譜技術可以實現深部組織的非侵入式檢測。隨著光子檢測方法的發展,量子成像未來可望在生命科學和醫學領域得到廣泛應用。

【讓我們期待量子世界的新景象】當前,集成單光子檢測的量子相機和顯微鏡仍屬實驗室概念驗證階段,但其呈現的分辨率和動態范圍已遠超同類產品。量子光學成像技術充分發揮量子世界的奧秘,必將給人類打開嶄新的景象和認知世界的新視野。讓我們共同期待這場成像領域的量子革命!

圖20 帶電柵控SPAD圖像傳感器像素架構[64] 采用許可復制[64] 版權2018年,SPIE。

圖26 不同工藝制作的SPAD的PDP比較[54,65,81,82] 為完整起見,還增加了與ICCD PI-MAX4-III Gen和EMCCD ANDOR iXon3相關的PDP。