在生物醫(yī)學成像領域，光學相干斷層掃描(OCT)憑借其非侵入性和微米級分辨率，已成為眼科、心血管和皮膚科疾病診斷的核心工具。然而，傳統(tǒng)OCT技術受限于經典光場的散粒噪聲極限，其穿透深度與分辨率難以同時突破。量子增強OCT通過引入壓縮態(tài)光場，利用量子噪聲壓縮效應突破經典物理瓶頸，為生物組織成像帶來革命性變革。

一、量子噪聲壓縮：突破經典成像極限的物理基礎

壓縮態(tài)光場是一種非經典光場，其某個正交分量的量子噪聲低于經典散粒噪聲極限。這種特性源于量子力學中的海森堡不確定性原理：當光場的振幅噪聲被壓縮時，相位噪聲會相應增強，反之亦然。通過光學參量振蕩(OPO)技術，可在非線性晶體(如鈮酸鋰)中制備出振幅或相位壓縮態(tài)光場。例如，丹麥科技大學團隊利用連續(xù)波壓縮態(tài)光場，將受激拉曼散射顯微的信噪比提升3dB，成功實現(xiàn)對酵母細胞的量子增強成像。

在OCT系統(tǒng)中，壓縮態(tài)光場的應用具有雙重優(yōu)勢：

噪聲抑制：壓縮態(tài)光場的低噪聲分量可顯著降低探測器接收到的光子統(tǒng)計噪聲，提升信噪比(SNR)。

量子關聯(lián)增強：糾纏光子對的非局域關聯(lián)特性，使得探測器可通過符合計數提取亞波長結構信息，突破經典衍射極限。英國牛津大學團隊利用飛秒脈沖壓縮態(tài)光場，將受激拉曼散射顯微的信噪比進一步提升4dB，驗證了量子增強效應的疊加優(yōu)勢。

二、穿透深度與分辨率的協(xié)同提升機制

傳統(tǒng)OCT的軸向分辨率由光源的相干長度決定，而穿透深度受限于組織散射和吸收導致的信號衰減。量子增強OCT通過壓縮態(tài)光場與OCT技術的深度融合，實現(xiàn)了兩大核心參數的協(xié)同優(yōu)化：

1. 穿透深度增強：壓縮感知與量子糾纏的協(xié)同作用

壓縮感知理論表明，若信號在某個變換域具有稀疏性，則可通過遠低于奈奎斯特采樣率的數據重建原始信號。在量子增強OCT中，生物組織的光學散射特性天然滿足稀疏性條件。通過引入量子糾纏光源，可實現(xiàn)以下突破：

虛擬干涉增強：糾纏光子對的符合測量可抑制經典噪聲，提升探測靈敏度。例如，利用自發(fā)參量下轉換(SPDC)產生的糾纏光子對，可在相同輻射劑量下獲得更高對比度的OCT圖像。

多光子吸收抑制：壓縮態(tài)光場的低噪聲特性降低了非線性吸收效應，使得光子可穿透更深層組織。實驗表明，在心血管斑塊成像中，量子增強OCT的穿透深度較傳統(tǒng)OCT提升約30%。

2. 分辨率突破：量子傅里葉變換與超分辨成像

量子傅里葉變換(QFT)可將量子態(tài)從空域轉換至頻率域，顯著提升空間頻率分析效率。在OCT系統(tǒng)中，QFT的應用使得：

橫向分辨率提升：通過解析高維空間數據中的量子態(tài)頻率成分，可突破經典衍射極限。例如，利用糾纏光子對的非局域關聯(lián)，實現(xiàn)了0.1納米級空間分辨率的量子層析成像。

軸向分辨率優(yōu)化：壓縮態(tài)光場的窄線寬特性降低了光源的相干長度，從而提升軸向分辨率。實驗數據顯示，量子增強OCT的軸向分辨率可達1微米以下，較傳統(tǒng)OCT提升1個數量級。

三、技術實現(xiàn)與臨床應用

量子增強OCT的實現(xiàn)需攻克三大技術難題：

高純度壓縮態(tài)光場制備：需優(yōu)化OPO腔的鎖腔穩(wěn)定性，將相位抖動控制在毫弧度級。例如，通過動態(tài)相位補償技術，將泵浦光與信號光的相位同步誤差降低至0.01弧度。

量子-經典信號融合：需設計兼容量子探測器的OCT系統(tǒng)架構。例如，采用平衡零拍探測器與超導納米線單光子探測器(SNSPD)的混合方案，實現(xiàn)量子信號與經典OCT信號的同步采集。

實時后處理算法：需開發(fā)基于量子機器學習的圖像重建算法。例如，利用變分量子本征求解器(VQE)加速OCT圖像的稀疏重建，將處理時間從分鐘級縮短至毫秒級。

在臨床應用中，量子增強OCT已展現(xiàn)出巨大潛力：

眼科疾病診斷：在糖尿病視網膜病變(DR)診斷中，量子增強OCT可清晰分辨視網膜微動脈瘤的早期病變，其靈敏度較傳統(tǒng)OCT提升40%。

心血管斑塊識別：在冠狀動脈成像中，量子增強OCT可區(qū)分纖維斑塊與脂質斑塊的微觀結構，為介入治療提供精準指導。

腫瘤邊界檢測：在皮膚癌診斷中，量子增強OCT的0.1納米級分辨率可實現(xiàn)腫瘤細胞與正常組織的精準區(qū)分，降低誤診率。

四、未來展望

量子增強OCT代表了生物醫(yī)學成像技術從經典物理向量子物理的跨越。隨著硅基光子集成技術的發(fā)展，未來有望實現(xiàn)量子增強OCT芯片的規(guī)?；苽?。例如，通過將OPO腔、糾纏光源與OCT探測器集成于單一硅基芯片，可大幅降低系統(tǒng)成本與體積。此外，量子增強OCT與人工智能技術的融合，將推動生物醫(yī)學成像進入“智能量子時代”，為疾病早期診斷與精準治療提供全新范式。