Experimental realization of quantum scanning microscopy through SPDC-based correlated photon-pairs

Since the formulation of the EPR paradox, the unique properties of quantum states of light have revolutionary introduced many new quantum technologies. Quantum Ghost Imaging is one of them. This technique exploits spatial and momentum two-photon correlations to image objects, even if one of the two photons of the couples never interacts with it. The advantages predicted by theoretical studies include better performances in term of achievable resolution, contrast, and signal-to-noise ratio, compared to their classical counterparts. In our framework, the quantum correlations under consideration are generated through type-0 Spontaneous Parametric Down-Conversion (SPDC) from a Ti-diffused LiNbO3 waveguide, that delivers photons in the spectral range 1000 nm – 2400 nm. The proposed method relies on the implementation of a galvo-galvo confocal scanning microscope, which is supposed to overcome two of the main limitations in quantum microscopy: the number of spatial modes enclosed in the illuminating field, determining the maximum number of pixels, and the speed of detection. On this final crucial task, a superconducting nanowire single-photon detector comes to our aid. In fact, the employment of a scanning microscope prevents from the use of any kind of CCD camera, whose electronics would irremediably undermine the acquisition rate. Lastly, although the measurements presented at the end of this work were performed on an early-stage setup optimization, we believe that this approach will be scalable to practical biophysical applications.

Sin dalla formulazione the paradosso di EPR, le peculiari proprietà degli stati quantici della luce hanno portato alla rivoluzionaria introduzione di innumerevoli nuove tecnologie quantiche. La tecnica del "Quantum Ghost Imaging" fa parte di queste. Questo metodo si serve delle correlazioni spaziali e di vettore d'onda fra le coppie di fotoni per realizzare l'immagine di un oggetto, anche se uno dei due fotoni non interagisce mai con esso. Stando a ciò preveduto dagli studi teorici, i vantaggi apprezzabili con tali tecniche, rispetto ai loro corrispettivi classici, riguardano principalmente la risoluzione, il contrasto e il rapporto segnale/rumore. Nel nostro schema, le correlazioni sopracitate sono generate per mezzo di conversione parametrica spontanea (SPDC) di fotoni da parte di una guida d'onda di titanio diffuso in niobatio di litio (Ti:LiNbO3), la quale emette fotoni nel range spettrale 1000 nm – 2400 nm. Il metodo proposto si basa sull'implementazione di un microscopio confocale con tecnologia a scanner galvanometrico lungo due direzioni, questo dovrebbe superare far superare due delle maggiori limitazioni della microscopia quantica: il numero di modi spaziali racchiusi nel campo elettromagnetico d'illuminazione, che determina a sua volta il numero massimo di pixel realizzabili, e la velocità di rivelazione. Questo ultimo compito cruciale viene affidato ad un detector a singolo fotone (SNSPD). Infatti, la scelta di un microscopio a scanner ci permette di evitare l'utilizzo di qualsiasi CCD camera, la quale rischierebbe di danneggiare irrimediabilmente la velocità di acquisizione di frame a causa dei suoi componenti elettronici. Infine, nonostante tutte le misure presentate alla fine di questa tesi siano state fatte durante una prima fase di ottimizzazione del setup, crediamo che questo approccio possa portare a interessanti impieghi nel campo della microscopia biologica.