在美国布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory，简称BNL）的国家同步辐射光源 II（National Synchrotron Light Source，简称NSLS-II[2]），科学家们正在建造一台量子增强型X射线显微镜。
图1｜美国国家同步辐射光源II鸟瞰图（来源：Wikipedia）这一突破性技术，受到美国能源部科学办公室的“生物和环境研究项目”的支持。其目的是，能让研究人员用前所未有的方式，对生物分子进行成像。NSLS-II的研究人员将使用强大的X射线，“查看”原子级材料的结构、化学成分和电子构成。设施上带有的强光灯，促使研究人员获得生物学新进展，例如揭秘蛋白质的结构，从而为各种疾病的药物研发提供依据。现在，通过利用X射线的量子特性，NSLS-II的研究人员能以较高分辨率，对更敏感的生物分子成像。虽然X射线具有很强的穿透力，可以为成像研究提供卓越的分辨率，但这种强光也会损坏某些生物样本，例如植物细胞、病毒和细菌。低剂量X射线研究可以保留这些样品，但成像分辨率也会相应降低。NSLS-II的一位研究人员表示，如果能够成功构建量子增强型X射线显微镜，那么就能以超高分辨率和低剂量X射线，对生物分子进行成像。NSLS-II的量子增强型X射线显微镜，将通过一种“幽灵成像”的技术，来实现这一完美的功能组合。传统的X射线成像技术将单束光子（光粒子）通过样本送入检测器，而幽灵成像则需要将X射线束分为两束纠缠的光子流，其中只有一束通过样本，但两束光子都能收集信息。
该项目负责人表示，检测器收集到其中一束光子流时，以良好分辨率进行记录，而另一束光子流则编码了光子传播的确切方向。这听起来很魔幻，但通过数学计算，研究人员们将能够关联来自两束光的信息。通过分离光束，研究样品暴露于X射线中的剂量较小。由于没有穿过样品的光子与穿过样品的光子是相关的，因此可以保持全剂量X射线束的分辨率。现已成功开发幽灵成像技术，但是还未将其转化为X射线。布鲁克海文国家实验室的量子增强型X射线显微镜，是在NSLS-II的X射线相干散射(CHX)[3]光束线上开发的，因为它能够操纵X射线源的相干性，从而使科学家能够根据需要调整幽灵成像实验。
图3｜NSLS-II的X射线相干散射光束线（来源：布鲁克海文国家实验室）CHX较为灵活，可适应崭新的先进设备，如光束分束器和新检测器。NSLS-II将与布鲁克海文国家实验室和石溪大学的科学家们合作，将这些复杂的仪器整合在一起。布鲁克海文国家实验室的物理学家Andrei Nomerotski表示，这些测量要求成像探测器具有最佳时间分辨率，而我们在高能物理实验、量子信息科学项目中已经有所应用。量子增强型X射线显微镜项目团队，还将与布鲁克海文国家实验室的计算科学计划（CSI）[4]合作，进行数据分析。而实验室的生物学部门正在与NSLS-II合作，利用该显微镜的先进性能进行实验。生物学与NSLS-II科学家之间的牢紧密合作关系，结合了现实世界中的科学问题和先进的能力，为与能源部任务相关的问题，提供了尖端的解决方案。该团队计划在未来两到三年内逐步将新功能纳入CHX光束线中。预计在2023年演示分辨率为10纳米以下的，微米级物体的幽灵成像。
参考链接：
[1]https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=117347
[2]https://www.bnl.gov/ps/
[3]https://www.bnl.gov/ps/beamlines/beamline.php?r=11-ID
[4]https://www.bnl.gov/compsci/
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