本文介绍了一项名为“鬼成像”的新技术，该技术能够在低于夜间光照强度的条件下对活体植物组织进行成像，有助于观察植物在昼夜节律中如何利用水和阳光。这项技术的原理是利用纠缠光子的量子现象，通过测量一个粒子来推断另一个粒子的信息。研究团队使用极其灵敏的探测器，以万亿分之一秒的精度追踪每个红外光子的到达时间，从而绘制出叶子组织的图像，深入观察活体植物在夜间的活动。
该技术有助于观察植物在昼夜节律中如何利用水和阳光，以及植物如何对环境作出反应。这为生物学和植物学研究提供了新的观察手段。
撰文｜蕾切尔·伯克韦兹（Rachel Berkowitz）
翻译｜王越
想象一下花园延时摄影：你将看到花朵从白昼到夜晚的细腻变化。科学家非常希望能在分子层面观察到类似的转变，但用于拍摄植物微观图像的强光会干扰生物学家想要观察的过程，尤其是在夜间发生的过程。
近日，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的物理学家邓肯·瑞安（Duncan Ryan）及其团队在《光学》（Optica）杂志上介绍了一种新工具，能够在低于夜间光照强度的条件下对活体植物组织进行成像。
这种名为“鬼成像”（ghost imaging）的技术于1995年首次被提出，它的原理是在完全相同的时间和地点，将一个光源分裂成两束波长不同的光子流，每对光子都彼此纠缠，这种量子现象使得研究人员能通过测量一个粒子来推断另一个粒子的信息。这样就可以在一个波长下探测样本，同时在另一个波长下成像。
对于植物而言，这意味着研究人员可以记录可见光的光子，并准确测量其位置，同时通过红外光子获得富含水分的分子的信息，而这些分子对植物的生物功能至关重要。
在这项新研究中，研究团队将一束红外光子照射到一个装有植物的透明盒子里，并在盒子后面放置了一个光子计数器。同时，他们将红外光子对应纠缠的可见光光子导向一个空盒子，其背后放置了一个相机。用这种方式测量光子位置的精度远高于红外相机。与此同时，在红外光子传播到植物所在盒子的过程中，并不是所有光子都会被计数，因为植物的特定位置会吸收一部分光子。计算机仅在光子同时击中相机和光子计数器时记录像素的位置，从而显示出每个点通过的红外光子的数量。
通过这种方式，研究人员能够利用那些未直接接触叶子的光子构建出叶子的图像，本质上是在可见光相机上形成一幅红外图像。
结果显示，鬼成像能成功捕捉测试中的简单图像，但对于透光率较低的样本（如植物），其微观结构在吸收光子能力上的差异往往只有几个百分点。而这项实验之所以能够实现，得益于LANL实验室开发的极其灵敏的探测器，它能够以万亿分之一秒的精度追踪每个红外光子的到达时间，这才能让科学家绘制出叶子组织的图像，深入观察活体植物在夜间的活动。
这种观察方法使得研究人员能追踪植物在昼夜节律中如何利用水和阳光。“借助这种技术，我们能够观察植物如何对环境作出反应，而不是在我们观察的干扰下作出了何种反应，”瑞安说道。
本文选自《环球科学》12月刊“前沿”栏目。
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