京都大学研究生院工学研究科特定研究员阿部尚文（研究当时）、堀野智康硕士研究生（研究当时）、川口蓉子硕士研究生（研究当时）、冈本亮副教授、竹内繁树教授等人的研究团队，成功实现了拥有世界最高体积分辨率的量子光学相干断层成像（QOCT），体积分辨率达4.04飞升，将既往QOCT的体积分辨率大幅提升至原本的43倍。此外，团队还开发了运用图论中最大团搜索的新型算法，实现了曾为QOCT重大障碍的伪信号的高速去除，由此便可开展高分辨率、非侵入式的三维微结构观测，未来该技术有望在材料科学、生命科学等广泛领域得到应用。相关研究成果已发表在期刊《Optics Express》的网络版上。
图1 竹内繁树教授（供图：科学新闻社）
图2量子光学相干断层成像（QOCT）示意图。右侧图表为去除伪信号后的QOCT成像图。（供图：京都大学工学研究科竹内研究室）
光学相干断层成像（OCT）是一种利用光的干涉检测光在介质内部的反射位置，进而实现介质内部结构成像的技术，已在眼科眼底检查、工业产品生产过程检测等场景中得到广泛普及。然而，既往OCT存在受光色散影响导致分辨率劣化等技术课题。
通过操控单个量子的行为与关联（量子纠缠），突破既往测量技术极限的光量子传感研究正蓬勃开展。其中，采用量子纠缠光的量子光学相干断层成像不受样品内部色散影响，有望实现高于既往OCT的分辨率，因而备受关注。
然而，受技术难度限制，此前QOCT的体积分辨率最高仅为176飞升，除此之外QOCT还存在成像中会出现特有伪信号的问题。
研究团队通过优化光学系统设计，开发出了可产生宽频段量子纠缠光的光源，并且设计搭建了一套即使针对此类宽频纠缠光，也可充分抑制像差（即光线波长不同导致聚焦位置存在差异的现象）的光学系统。
研究由此实现了全球最高的体积分辨率，同时也在该分辨率区间内验证了系统的色散耐受能力。实验证实，即使插入具有强光学色散特性的硒化锌（ZnSe）玻片，系统仍可维持分辨率不劣化的自动色散抵消效果。
此外，团队还开发了运用图论中最大团搜索的新型算法，实现了曾为QOCT重大障碍的伪信号的高速去除。研究团队着眼于伪信号“出现在两个反射面中点”的特性，萌生了将伪信号识别问题归约为图论最大团搜索这一数学问题的构想。基于这一构想，团队设计出可识别并去除伪信号的算法。让原本需要数分钟完成的分析工作，在普通笔记本电脑上仅需约0.2秒（237毫秒）就能超高速完成。
竹内教授表示：“其实尝试运用图论的想法，是由一位名叫堀野的学生提出的。他虽然读的是电气电子工学科，但也可以修读信息类课程，他基于学到的信息领域知识萌生了这一构想，之后和副教授一同将其打磨完善，整件事的经过就是这样。”
据悉，约3年前竹内教授等人发起组建了由十余家企业加盟的光量子传感社会应用联盟，目前已在联盟内部启动了面向社会应用的讨论。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Optics Express
论文：High-volume-resolution quantum optical coherence tomography imaging with efficient artifact removal
DOI：10.1364/OE.574265
