空間的にもつれた光子を用いる定量位相勾配顕微鏡

優しく詳細に見えないものを可視化する

生体や材料科学で重要な試料の多く――生きた細胞、組織切片、薄膜など――はほとんど透明です。光をほとんど吸収しないため、普通の顕微鏡ではごく薄い影のようにしか見えません。本稿で扱う研究は、そうしたほとんど見えない変化を、試料の形状と内部厚さの鮮明で測定可能な像に変える新しい方法を示しています。しかも非常に少ない光を使うため、光に敏感な脆弱な試料の観察に特に有利です。

ぼやけた輪郭から精密な地図へ

位相差顕微鏡は1930年代に発明され、細胞内部で光がわずかに遅れることを可視的なコントラストに変えることで生物学を変えました。しかし従来の位相差法は主に定性的で、構造を見るには優れている一方で厚さや屈折率を正確に測るには向いていません。近年の「定量位相イメージング」手法は、そうした微妙な遅れをナノメートルレベルの感度で正確な高さマップに変換しようとしますが、通常は複雑な干渉計、可動部、マイクロレンズアレイ、あるいは多数の画像を要する重い計算処理に依存します。これらの要件はシステムをかさばらせ、繊細にし、遅くし、環境ノイズに対して脆弱にします。

もつれ光を新たなプローブとして

著者らは、量子光、具体的には空間的にもつれた光子対を用いる別のルートを提案し実証します。これらの対は特殊な結晶で同時に生成され、位置が強く相関し進行方向が強く反相関するなど厳密に結びついています。新しい顕微鏡では、それぞれの対の両方の光子が透明試料を通過しますが、互いに異なる方法で観測されます。片方のカメラは“近視野”像で光子の着地点を鮮明に撮り、もう一方のカメラはそのパートナー光子を“遠方場”で捉え、そこでは位置が方向のわずかな変化を示します。真のペアとして到着した光子だけを見て、その結合パターンを解析することで、干渉計や走査を使わずに試料の明るさと場全体にわたる厚さ変動を取り出せます。

光の小さな曲がりを高さマップに変換する

光が光学的厚さが緩やかに変化する領域を通ると、波面がわずかに傾きます。これは水面にある穏やかな丘を流れる水になぞらえられます。本法では、そのような局所的な傾きが遠方場カメラでのパートナー光子の着地点の小さなシフトとして現れます。近視野画像の各ピクセルに対して、研究者らは遠方場で相関するスポットの平均シフトを計算します。このシフトは局所的な「位相勾配」、すなわちその点で光学的厚さがどれだけ変化しているかに直接結びつきます。数学的な再構成によりこれらの局所勾配をつなぎ合わせて位相の全体マップを作り、物体の実効的な厚さマップとして読取れます。標準的なテストパターンを用いて、チームは2.76マイクロメートルほどの小さな特徴を分解し、光の波長の約百分の一程度の位相ステップを正確に測定できることを示しました。しかも試料へ照射する光は約100フェムトワットと非常に弱く、一般的なレーザーポインタに比べて何十億倍も弱い出力です。

雑音のある光の中でも鮮明に見る

実際の撮像では蛍光マーカーや他の不要な光源からの発光など、変動する背景光による混濁がしばしば問題になります。従来の位相勾配法はそのような背景により大きく歪められ、追加の測定やフィルタリングが通常必要です。本研究では、もつれ光子対の持つ到着時刻の相関が強力なフィルターとして機能します。カメラは検出した各光子の到着時刻を記録し、厳密な時間窓内に到着したペアだけをもつれ源由来とみなします。さらに、実際のペアが発生しないように時間窓をずらした領域で「偶発的」な同時検出を測ることで、ランダムな背景光の寄与を推定して差し引けます。強い移動する背景ビームを故意に加えた場合でも、この補正によりはるかに正確な位相像が回復することを示しています。

優しく正確な新たなイメージングの可能性

この研究は、干渉計や可動部、反復的な推定アルゴリズムを必要とせず、透明試料の正確で定量的な像を与える概念実証型顕微鏡（量子相関位相勾配顕微鏡）を示しました。極めて低照度で動作するため、感度の高い生体試料の研究に有望であり、複雑で時間変動する背景光にも自然に強い耐性を持ちます。生細胞のイメージングにとどまらず、光学系の微調整、繊細な材料の検査、そして検出器技術の進展とともに三次元イメージングへの拡張といった応用が期待されます。

引用: Zhang, Y., Moreau, PA., England, D. et al. Quantitative phase gradient microscopy with spatially entangled photons. Nat Commun 17, 3108 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69881-4

キーワード: 量子イメージング, もつれ光子, 位相顕微鏡, 低光量イメージング, 適応光学