量子光谱学路线图

传统光谱学能告诉我们分子由什么原子组成，而量子光谱学则能揭示分子内部的量子运动 —— 电子的跃迁、化学键的振动、分子间的能量传递，这些在经典理论中模糊不清的过程，在量子光的照射下变得清晰可见。文中收录了近20年来量子光谱学的里程碑实验，这些案例不仅验证了量子光的优势，更揭示了传统技术无法触及的微观机制。

案例 1：红外光谱的 "可见光翻译器"—— 用绿光探测红外信号

红外光对分子振动非常敏感（如蛋白质的酰胺键在红外波段有特征吸收），但红外探测器效率低、成本高，一直是光谱学的 "痛点"。新加坡 A*STAR 研究所的Anna Paterova团队开发的 "红外光谱-可见光探测（ISVL）" 技术，用纠缠光子对解决了这一难题。

1.用SPDC生成纠缠光子对：一个为可见光（如绿光，532nm），一个为红外光（如 3-5μm）；

2.让红外光子穿过样品（如二氧化碳气体、硅片），可见光光子直接进入探测器；

3.由于两个光子纠缠，红外光子与样品的相互作用（吸收、折射）会映射在可见光光子的状态中，通过测量可见光的干涉图案，就能反推出样品的红外光学性质。

关键突破：

• 同时测量折射率与吸收系数：传统红外光谱只能测吸收，而 ISVL 通过干涉条纹的移动（反映折射率）和对比度变化（反映吸收），可同时获取两个关键参数。实验中，对硅片的测量显示，折射率误差小于0.01，吸收系数误差小于5%；
• 突破探测极限：对二氧化碳气体的测量中，ISVL能识别浓度低至10 ppm的气体，灵敏度是传统光谱仪的10倍；
• 无需红外探测器：用成熟的可见光CCD相机即可探测，设备成本降低90%。

X 射线能穿透物质并与原子相互作用，是研究晶体结构的 "利器"，但传统 X 射线光谱无法捕捉原子的动态变化（如化学反应中的电子转移）。以色列巴伊兰大学的 Sharon Shwartz 与日本理化学研究所的 Kenji Tamasaku 团队，利用 "X 射线自发参量下转换（X-ray SPDC）" 技术，实现了原子尺度的动态探测。

1. 用高能 X 射线（如 11.1keV）泵浦钻石晶体，通过 SPDC 生成一对纠缠光子：一个仍为 X 射线（信号光子），一个为极紫外光（闲置光子，60eV）；
2. 信号光子与钻石原子相互作用，其散射模式反映原子的电子分布；
3. 利用纠缠特性，通过测量闲置光子的状态，反推信号光子与原子的相互作用细节。

关键发现：

• 超分辨率成像：通过分析不同晶面的衍射信号，团队重建出钻石中碳原子的线性 susceptibility 分布，空间分辨率达到 0.54Å（约为氢原子直径的 1/3），远超传统 X 射线衍射的 λ/2 极限；
• 捕捉 "键电荷"：实验首次直接观察到碳原子间的 "键电荷"（形成化学键的电子云），其分布与量子化学计算的理论模型完全吻合，验证了 50 年来的理论预测；
• 动态探测潜力：在后续实验中，团队用飞秒 X 射线脉冲泵浦，成功捕捉到金刚石在激光加热后的原子振动（时间分辨率 100fs），为研究超快相变提供了新方法。

这项技术的意义在于：它不仅能 "看到" 原子的位置，还能 "看清" 电子在原子间的运动，这对理解催化剂的作用机制（如氢燃料电池中的电催化反应）至关重要。

案例 3：有机分子中的 "量子干涉"—— 纠缠光子如何增强探测灵敏度

有机分子（如卟啉、蛋白质）的非线性光学信号通常很弱，传统技术需要强光照射，容易导致分子光损伤。美国密歇根大学的 Oleg Varnavski 与 Theodore Goodson III 团队，利用纠缠光子对的量子特性，实现了对有机分子的低损伤、高灵敏度探测。

卟啉树枝状分子（一种模拟光合作用中心的人工分子，具有强双光子吸收特性）。

实验设计：

1. 用 SPDC 生成纠缠光子对（波长约 800nm），照射卟啉分子；
2. 对比传统激光（800nm，强光）与纠缠光子对（弱光）的双光子吸收信号；
3. 测量信号强度与入射光强的关系，验证量子光的优势。

关键结果：

• 强度缩放差异：传统激光的双光子吸收信号与光强平方成正比（I²），而纠缠光子对的信号与光强成正比（I）。这意味着当光强降低到 1/100 时，传统信号会降至 1/10000，而量子信号仅降至 1/100，仍可探测；
• 量子干涉增强：当调整纠缠光子对的时间延迟（即两个光子到达分子的时间差）时，信号呈现周期性增强 / 减弱（量子干涉效应），最大增强因子达 5 倍。这种效应源于光子与分子的量子态纠缠，传统光无法实现；
• 生物兼容性：在对荧光蛋白的实验中，量子光探测能在光强降低 1000 倍的情况下获得清晰信号，且蛋白的光漂白率（损伤指标）降低 99%。

这项研究为生物成像开辟了新路径 —— 例如，用纠缠光子对观察活细胞内的蛋白质相互作用，既能获得高分辨率图像，又不会干扰细胞的正常代谢。

案例 4：量子衍射成像 —— 给分子拍 "全息照"

传统成像技术需要透镜聚焦，分辨率受限于衍射极限；而量子衍射成像利用纠缠光子对的相位相关性，可在无透镜情况下实现超分辨率成像。美国加州大学欧文分校的 Shahaf Asban 团队开发的这一技术，被《Roadmap》称为 "最具潜力的量子成像方法"。

1. 用 SPDC 生成纠缠光子对，经分束器分为两路：信号光子照射样品（如纳米颗粒、生物切片），闲置光子直接进入空间分辨探测器；
2. 信号光子与样品作用后被 "桶探测器"（无空间分辨）接收，闲置光子的空间分布被记录；
3. 通过计算两个光子的 coincidence 计数（同时探测到的概率），重建样品的图像。

独特优势：

• 相位敏感：传统衍射成像只能获取振幅信息，而量子成像可通过纠缠光子的相位关联，同时获取振幅和相位，相当于给分子拍 "全息照"。实验中，对相位物体（如透明生物细胞）的成像分辨率达到 50nm，是传统无透镜成像的 3 倍；
• 低光损伤：量子成像信号强度与光强成正比（I），而传统成像与光强平方成正比（I²）。对活细胞的实验显示，量子成像的光毒性（导致细胞死亡的概率）降低 90%；
• 抗噪声能力：通过 Schmidt 分解（一种量子态分析方法），团队能过滤掉环境噪声，在信噪比低至 1:1 的情况下仍能重建清晰图像。

这项技术已被用于单分子成像 —— 对 DNA 链的量子衍射图像显示，其螺旋结构的细节（如碱基对的排列）比传统荧光成像更清晰，为基因测序提供了新工具。

尽管量子光谱学已经取得了令人瞩目的成就，但要走向实用还有不少挑战。首当其冲的是量子光源的效率问题 —— 目前纠缠光子源每秒只能产生约10^6个光子对，远低于传统激光的强度（10^15光子/秒），导致量子光谱实验的信号强度低、采集时间长（有时需要数小时）。其次，量子态非常脆弱，比如纠缠态对环境扰动（如温度波动、振动、电磁干扰）极其敏感，容易 "退相干"（失去量子特性）。最后，量子光与物质相互作用的理论模型极其复杂，需要求解多体量子力学方程，而实验结果的解读往往依赖近似假设，导致理论与实验的偏差。

不过，科学家们已经看到了希望。随着集成光学技术的发展，量子光源的效率正在快速提升。2023年，德国马普光科学研究所开发的芯片级量子光源，亮度达到了此前的100倍。同时，新型探测器比如超导纳米线单光子探测器SNSPD的探测效率已经突破了95%，为量子光谱学的实用化铺平了道路。欧盟团队开发的 "QuantumSpectra" 平台，集成了10种主流量子光谱学理论模型，研究者可直接调用模型对比实验数据。

四、未来图景：量子光光谱学将改变什么？

未来，量子光谱学可能会在这些领域大放异彩：

1.精准医疗：从 "宏观观察" 到 "量子诊断"

量子光光谱学的高灵敏度和低损伤特性，使其成为生物医学探测的理想工具：

• 早期癌症诊断：利用量子光的超分辨率成像，可在单个细胞中识别癌前病变（如染色体异常），比传统病理检测提前 3-5 年发现癌症迹象；
• 药物筛选：用纠缠光子对探测药物分子与靶蛋白的结合动力学，可精确测量结合常数，大幅缩短新药研发周期；
• 无创血糖监测：红外-可见光纠缠光子技术可穿透皮肤，探测血液中葡萄糖的红外特征吸收，实现无创血糖测量。

2. 新能源：解密 "光合作用" 的量子秘密

光合作用中，植物能将光能转化为化学能，效率高达95%（远超人工太阳能电池的 20%），其核心在于量子相干效应。量子光光谱学有望揭开这一机制：

• 捕光复合物的量子传递：用飞秒纠缠光子对探测叶绿素分子间的能量传递，可观察到量子相干态（寿命约 1ps），为设计高效太阳能电池提供蓝图；
• 催化剂的动态优化：X 射线量子衍射可实时观察催化剂表面的原子重组（如氢燃料电池中的铂催化剂），指导催化剂的结构优化，降低成本。

五、结语：光的“量子叙事”正在展开

从牛顿用棱镜分解阳光，到爱因斯坦提出光量子假说，再到今天的量子光谱学，人类对光的理解不断深化。每一次突破都不仅带来了技术的进步，更重塑了我们对宇宙的认知。

量子光谱学的故事告诉我们：当我们敢于打破传统思维的边界，就能发现一个更加精彩的世界。那些曾经被认为 "不可能" 的事情 —— 用单光子照亮分子、让光穿越时空传递信息、—— 正在实验室里一步步成为现实。

量子光谱学的真正潜力，不在于它能看到多小的世界，而在于它能以全新的维度理解世界。量子光谱学的旅程才刚刚开始，前方还有无数未知等待我们去发现。

论文链接：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6455/ab69a8