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近日，我校理学院量子精密测量实验室在量子成像领域取得重要进展。该工作聚焦于弱发光物体（如生物分子和星体）的运动特征在噪声环境中的精密测量，研究成果“Measuring the Oscillation Frequency beyond the Diffraction Limit”以我校为第一单位发表在物理学领域顶级期刊Physical Review Letters上。该论文的第一作者为2022级物理学硕士研究生胡晁宁，通讯作者为我校忻俊副教授和陆晓铭教授。这是我校研究生第一次以第一作者在PRL上发表论文。
光具有波粒二象性。光的波动性使得几何光学下的成像仅仅是理想情况，而现实中的直接成像会受到衍射极限的限制，从而妨碍物体细节的超分辨。另一方面，光的粒子性使得探测过程中出现“散粒” 噪声，在弱光场景下这种涨落的影响更加突出。如果弱发光物体处于运动状态，同一时刻采样到的光子数也会受到限制。因此，如何有效地利用好每一个光子带来的信息，对弱光环境下运动特征的测量问题来说至关重要。该研究提出利用光场的横向空间模式分解探测技术，将有效信号集中在少数探测器上，在保持高测量精度的前提下可以同时提高噪声稳健性，并且以光源微振动的频率测量为例从实验上进行了原理验证。结果显示，新方法的性能优于传统直接成像，为生物成像与天文观测等依赖单点追踪的应用提供了一种新的技术路径。
横向空间模式分解探测的示意图
我校量子精密测量实验室研究方向主要集中在量子信号感知和精密测量，致力于揭示量子力学对测量精度所设定的基本极限，并在此基础上发展能够突破传统经典方案性能的高灵敏度测量方案。研究内容涵盖量子测量基本理论、基于热原子系综的量子弱磁探测、量子超分辨成像方法，旨在通过量子特性的调控与优化，突破经典测量方案的灵敏度极限，推动其在基础物理、精密探测和量子信息技术中的应用。
论文信息: C.-N. Hu, J. Xin, and X.-M. Lu, Measuring the Oscillation Frequency beyond the Diffraction Limit, Phys. Rev. Lett. 135, 243802 (2025).
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