2026年2月18日——由美国能源部布鲁克海文国家实验室下属国家同步辐射光源II（NSLS-II）的科学家领导的研究团队，正在探索一种量子启发的成像方法。该方法有望在降低X射线剂量的同时获取高分辨率数据，其核心在于利用量子纠缠的X射线光子对——这些同源的光粒子共享属性和信息。在每个纠缠对中，一个光子与样本相互作用，而其伴侣光子则保持原状。通过分析这些光子对，该团队证明未接触样本的光子所携带的信息可用于成像，从而补充其伴侣光子获取的信息。这一早期概念验证最终可能实现对脆弱生物材料（如植物组织）的长期低剂量研究，并有望为未来低剂量医学成像提供参考。相关成果发表于《光学》期刊。

“幽灵”成像技术

量子“幽灵”成像技术正如其名般令人着迷。传统X射线成像中，X射线光子直接与样本相互作用；而幽灵成像则利用具有量子关联特性的成对光子：每对中的一个光子穿过样本，另一个则完全不与样本接触。然而，未接触样本的光子却表现得如同遭遇过样本一般。

“想象发送内含匹配密码的密封信封对，”论文第一作者、NSLS-II助理物理学家贾斯汀·古德里奇解释道，“每对中的一个信封会经过能阻挡、改变或扭曲部分密码的机器，而其伴侣信封始终保持密封。单独查看任一个信封只能获得有限信息，但当被修改的信封与未触碰的伴侣匹配时，两者间的关联就能揭示机器的运作机制。量子成像原理类似：一个光子探测样本，另一个则否，通过分析两者的关联而非单个光子，就能获取新信息。”

技术挑战与突破

产生这种关联光子对并非易事。研究人员需使光线通过“非线性”材料——这种材料会以复杂、非比例的方式与光子相互作用，在特定条件下甚至能将单个光子分裂成关联对。虽然该技术已在激光等可见光领域多次验证，但生成大量具备所需特性的X射线光子更具挑战性。

“X射线与物质的相互作用远弱于可见光，”古德里奇指出，“自1960年代起可见光纠缠研究就已开展，而X射线相关实验才刚起步，这正是本研究的突破性意义。”

X射线的独特价值

X射线是研究细胞器、植物组织等微小生物样本纳米级结构的强大工具。NSLS-II相干硬X射线散射光束线首席科学家安德烈·弗柳拉苏解释：“成像时需在获取信息与避免X射线损伤间取得平衡，这正是关联X射线光子的价值所在——即便未接触样本的光子也能提供关键成像信息。”

实验中，研究团队使用钨制“量子猫”（致敬薛定谔）和豆蔻种子作为样本，通过特殊探测器分离关联光子，并应用算法修正“闲置光子”成像的模糊畸变，最终生成结合光子对数据的“符合图像”。实验每小时记录约7,800对光子，结果与计算机模拟高度吻合。

跨学科协作成果

NSLS-II生物与环境科学部主任肖恩·麦克唐尼强调：“这项研究汇集了生物学家、物理学家、数据科学家和同步辐射专家，得益于实验室技术人员与工程师的创造力。”先进探测器的部署结合了内部与外部专业知识，数据处理团队协助处理了海量光子事件数据。

该技术有望成为研究细胞、植物组织等脆弱材料的新型工具，并为多领域的低剂量成像提供启示。未来工作将聚焦更快成像速度、更高分辨率及更大生物样本的研究能力。

本研究获得美国能源部科学办公室、教师科学家发展办公室、量子信息科学计划及布鲁克海文实验室定向研发计划的支持。