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导读

       近日，陆延青教授、陈鹏副教授团队在液晶微纳光学与量子成像的交叉前沿领域取得新进展，首次将多元液晶微纳结构引入量子光学中，提出了一套电控可调的动态量子成像新方案。其中，双手性胆甾相液晶微纳结构实现光量子态的自旋解耦的双模式独立调控，同时在外加电场作用下，向列相液晶和铁电近晶C相手性液晶对光量子态进行动态选择，远程触发呈现多种量子成像模式，包括明场成像和边缘增强成像。相关成果以“Advancing quantum imaging: Electrical tunability enabled by versatile liquid crystals”为题，发表于Science Advances。

       近年来，陈鹏、陆延青团队在双手性液晶超结构的概念提出、构筑操控与应用拓展方面取得了系列创新成果，发展了多维光刻新手段，实现了液晶异质结构的精准微纳构筑，突破了软物质光场调控的自由度瓶颈，催生了结构色、全息显示、光学加密、光计算、量子调控等新应用：

       2022年，团队率先提出了基于双手性共存液晶超结构的新型几何相位元件，突破了传统单一手性液晶的调制局限【Light Sci. Appl. 11, 135 (2022)】。

       2023年，进一步构筑了分层集成的双手性液晶微纳结构，发现了动态反射式旋光色散新效应，实现了自旋解耦、多元刺激响应的多色光复用【Adv. Mater.35, 2301714 (2023)】。

       2025年，提出多维光刻新策略，构建了手性与非手性液晶相嵌集成的异质超结构，达到了软物质调控光场的最高自由度，为高密度信息编码开辟了新路径【Adv. Mater.37, 2506778 (2025)】。

       2025年，团队创新性地引入了触摸驱动的人机交互机制，实现了全息加密信息的主动式验证，标志着双手性液晶超结构体系从“被动信息显示”迈向“主动智能交互”的关键一步【Adv. Mater.37, e13318 (2025)】。

       本研究则首次将双手性液晶超结构应用于量子光学研究，通过对光量子态进行高效可靠调控，实现了动态触发的多模式量子成像。这不仅标志了手性液晶元件从经典光学到量子光学的应用跨越，也为量子信息技术的发展提供了新颖独特的调控平台【Sci. Adv.12, eadz8962 (2026)】。

关键词：量子成像，液晶，手性结构，电光效应，边缘检测

研究背景

       随着信息时代的飞速发展，人们面临信息量的急剧增长，光学信息处理技术因其高效率、快速、并行的优势受到广泛关注。对比常用的电子信息技术，光学信息处理技术可以降低应用过程中的能量损失，同时避免因焦耳热效应导致的器件形变和损坏。如今，光学信息处理技术已经被用于机器视觉、自动驾驶、显微成像等诸多领域。其中，光学边缘检测技术可以被用于提取目标物体形态的最有价值的部分信息，从而极大降低待处理的数据量，进一步加快后续图像处理的速度。

       然而，在一些对光照较为敏感的场景中，例如光敏细菌样品的观测，就需要在弱光环境下对样品进行有效的成像。但该过程通常会受到环境噪声的严重干扰，导致极低信噪比的成像结果。为了克服这一点，近年来科学家们引入了具有非经典关联的量子纠缠光源对样品进行照明。在该架构中，闲频光子作为外部触发信号控制高灵敏相机进行观测。这种基于符合测量的量子成像技术表现出优异的抗噪声性能，相较于经典情形下的弱光成像系统，具有极高的信噪比。然而，目前大多数量子成像系统功能单一且固定、无法按需切换，不能灵活地对纠缠光子对进行操控。此外，在许多应用场景中，研究者还需要同时观测样品的完整形貌信息和精细边缘结构信息。

研究亮点

        针对上述挑战，陈鹏、陆延青团队提出了一种基于多元液晶体系的电控可调量子成像方案（图1），成功地将液晶微纳光学元件应用于量子成像中，实现了动态可控的新型成像模式。利用表面诱导的洗去/重填工艺与多维光刻技术，团队构筑了一种分层的双手性胆甾相液晶超结构。该结构表现出自旋解耦的几何相位调控性质，在两个独立的圆偏振通道中分别引入了均一几何相位和螺旋几何相位，用于调控入射的信号光子，以分别实现明场成像和边缘增强成像。同时，利用具有优异电光效应的向列相液晶和铁电近晶C相液晶作为远程调控开关，实现了量子成像模式的远程选择切换。本研究提出了一种新型动态量子成像方案，展现了液晶这类典型软物质材料在光量子信息处理中的巨大潜力。

图1 基于多元液晶微纳结构的电控可调量子成像新方案

（1）高信噪比的量子边缘检测

       研究团队引入量子纠缠光源对样品进行照明。相较于经典光源，量子光源的亮度极低，因此几乎不会对样品本身造成损伤。同时，信号光子携带有样品的明场像与边缘信息，可以被增强型电荷耦合器件（ICCD）采集。另一方面，液晶微纳元件具有灵敏外场刺激响应特性，可以通过外加电场改变触发路中液晶元件状态，从而改变作为触发信号的闲频光子的偏振状态。进一步地，借助信号光子与闲频光子之间的偏振纠缠特性，可以远程选择信号光子的偏振态，从而获得相应的成像结果。过程中，成像模式的切换不需要借助任何接触式机械操作，有效避免了功能切换时引入的额外干扰。实验中，信号光子用于成像，闲频光子则被用作触发信号来控制ICCD的拍摄。纠缠光子之间具有时间上的同步关联特性，由于ICCD的工作门宽仅有6 ns，绝大部分与信号光子时间无关的噪声信号被过滤掉，避免了噪声干扰，显著提高了最终的成像质量（图2）。

图2 具有高信噪比的量子边缘成像

（2）三模式量子成像的电控切换

       向列相液晶具有优异的电光效应，在外加电场的作用下，向列相液晶分子的倾角会发生变化，从而改变入射光经过液晶层后的相位差，对入射光的偏振态进行按需调制（图3a）。实验中，结合偏振片，通过改变外加电压就可以选择出任意的闲频光子偏振分量（图3b-3c）。基于信号光子与闲频光子间的偏振纠缠，可以远程非局域选择不同的成像模式，包含边缘成像、明场成像以及二者的叠加像（图3d-3f）。三种量子成像模式分别包含关于物体形态的不同信息：边缘像反映出样品的精细轮廓信息，明场像呈现出完整的形貌信息，而如果结合检偏操作，叠加像则可用于相位梯度分布的定量分析。上述三种量子成像模式可通过改变电压无接触式地进行任意切换。

图3 三模式量子成像的电控切换

（3）量子边缘检测与明场成像的快速转换

       铁电近晶C相液晶是一种新颖独特的手性液晶材料。在外加电场大于阈值电场时，铁电近晶C相液晶分子的整体排列发生重构，通过改变外加电场极性可以实现等效光轴的面内旋转（图4a）。基于此，研究团队设计了一种快速偏振开关（图4b），在两种极性的电压下选择出闲频光子的两种圆偏振分量，分别获得明场、边缘两种量子成像结果（图4d-4e）。表现出超快的响应速度，两种量子成像模式间的响应时间分别低至108μs和77 μs（图4c）。超快的模式切换速度显著优化了成像时序效率，使其在相关时序控制和高时间分辨的应用场景中有着可观的实际价值。

图4 量子成像模式的快速切换

总结与展望

       该工作提出了一套基于多元液晶体系的电控可调量子成像新方案，展现了液晶微纳结构对光量子态的多维度调控性能。不同相态的液晶材料都表现出了独特优势：利用双手性胆甾相液晶微纳结构构建出自旋解耦的量子成像器件，同时借助向列相液晶获得了多成像模式的电控切换，引入铁电液晶实现量子成像模式的快速切换。该方案具备高信噪比、近无损检测的特性，可在弱光环境下实现高质量成像，精准提取目标物体的边缘和明场信息。本研究揭示了液晶态软物质材料在按需操控纠缠光子方面的综合实力，提供了量子信息处理、智能识别和生物显微成像的实用技术。

       南京大学为该工作的唯一完成单位，现代工程与应用科学学院研究生朱栋、丁世辉、孙睿为共同第一作者，南京大学李志向博士、陈鹏副教授、陆延青教授为共同通讯作者，研究生陈闻、张逸恒、刘思嘉、王一鸣、陈方天宇对本文亦有重要贡献。该研究由国家重点研发计划（青年科学家项目）、国家自然科学基金优秀青年科学基金/基础科学中心项目、国家科技重大专项等资助完成。

 

论文信息

Advancing quantum imaging: Electrical tunability enabled by versatile liquid crystals

Dong Zhu†, Shi-Hui Ding†, Rui Sun†, Zhi-Xiang Li*, Wen Chen, Yi-Heng Zhang, Si-Jia Liu, Yi-Ming Wang, Fang-Tianyu Chen, Peng Chen*, and Yan-Qing Lu*.

Science Advances12, eadz8962 (2026).

 

论文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz8962

 

 

 

 

 

 

 

文章源于两江科技评论公众号