实验设置与光子对关联。来源：Optica（2024）。Doi: 10.1364/ optical .527982
在探索自然界奥秘的征途中，科学家们不断寻求着更为精细且无害的观察手段。近期，《光学》杂志上刊登的一项研究，就为我们揭示了如何在几乎不可见的光线条件下，对活体植物进行清晰成像的突破性技术——量子幽灵成像（QGI）。
想象一下，夜幕降临，星光点点，这样的微弱光线对于普通人来说，或许只能勉强辨认方向，但对于科学家而言，却成了研究高粱这类生物燃料作物的新窗口。研究团队利用一种新型探测器，在比星光还要暗淡的光线中，成功捕捉到了活高粱植物的清晰图像。这一技术革新，意味着科学家能够在不干扰植物自然生长的前提下，对其内部活动进行细致入微的观察。
QGI技术之所以如此神奇，是因为它能够在极低光照条件下工作。传统相机在面对微弱光线时往往力不从心，但QGI却通过一种巧妙的方式——使用两种颜色的光（一种低强度，与样品匹配；另一种高强度，用于形成图像），来捕捉物体的轮廓与细节。这种技术不仅提升了成像能力，更重要的是，它允许科学家使用无标签红外成像技术，直接获取植物水分含量、光合作用等关键生理过程的信息，即便是在光线稀缺的环境中也能做到。
以高粱为例，研究人员利用名为NCam的新型单光子探测器，实现了前所未有的灵敏度和对比度，成功拍摄到了在低于1%光透射条件下的活植物图像。这意味着，即使是在光子数量比星光还要少几个数量级的极端条件下，QGI也能游刃有余地完成成像任务。这项技术的秘诀在于，它利用植物自身发出的红外光来探测特定化学物质，同时结合优化设计的可见光探测器，实现了光谱分离，从而大大降低了对高灵敏度成像探测器的依赖，减少了照明需求。
QGI为植物研究带来的变革是显而易见的。首先，它提供了一种非侵入式的监测手段，避免了因强光照射可能给植物带来的压力或损害。其次，无需在植物体内插入染料或其他标记物，这不仅简化了实验流程，也避免了标记物可能干扰植物生长的风险。最后，QGI技术在极弱光条件下的成像能力，对于研究光敏感样品尤为重要，因为它能在最大程度上减少光毒性或样品降解的可能性。
这项研究的成功，离不开集成纳米技术中心的支持，作为能源部科学办公室的一个重要设施，它为科学家提供了先进的实验条件和技术支持。QGI技术的问世，不仅为植物科学研究开辟了新的视野，也为未来生物燃料作物的优化种植、提高产量和可持续性提供了强有力的技术支撑。
