衍射是指波在遇到障礙物或通過孔隙時(shí)，向障礙物或孔隙的幾何陰影區(qū)域彎曲或干涉的現(xiàn)象。你可能會(huì)問，為什么波會(huì)這樣做呢？這是因?yàn)椴ň哂胁▌?dòng)性，也就是說，它們不是像粒子那樣只能沿著直線運(yùn)動(dòng)，而是可以在空間中傳播和相互作用。當(dāng)波遇到障礙物或孔隙時(shí)，它們會(huì)在障礙物或孔隙的邊緣產(chǎn)生新的波源，這些新的波源會(huì)向各個(gè)方向發(fā)射波，并與原來的波疊加。這就導(dǎo)致了波在障礙物或孔隙后面發(fā)生變形和干涉。

衍射的程度取決于兩個(gè)因素：孔隙的寬度和波的波長(zhǎng)。孔隙的寬度是指波通過的空間的大小，而波的波長(zhǎng)是指波在一定時(shí)間內(nèi)傳播的距離。如果孔隙的寬度和波的波長(zhǎng)相當(dāng)，那么衍射會(huì)很明顯，波會(huì)向很大的角度彎曲；如果孔隙的寬度比波的波長(zhǎng)大得多，那么衍射就不太明顯，波只會(huì)向很小的角度彎曲；如果孔隙的寬度比波的波長(zhǎng)小得多，那么衍射就幾乎沒有了，波就像沒有遇到孔隙一樣直線傳播。

衍射對(duì)于我們觀察微觀世界有很大的影響。我們知道，光是一種電磁波，它有不同的顏色，也就是不同的波長(zhǎng)。我們用光來照亮物體，并用鏡頭來放大物體的細(xì)節(jié)。但是，由于光也會(huì)發(fā)生衍射，所以當(dāng)我們想要觀察比光的波長(zhǎng)小得多的物體時(shí)，就會(huì)遇到困難。例如，紅光的波長(zhǎng)大約是650nm，而藍(lán)光的波長(zhǎng)大約是450nm。如果我們想要觀察一個(gè)100nm大小的細(xì)菌，無論我們用什么顏色的光都會(huì)發(fā)生很強(qiáng)的衍射，導(dǎo)致我們看不清楚細(xì)菌的形狀和結(jié)構(gòu)。這就是所謂的衍射極限，它限制了我們用光學(xué)儀器能夠分辨出來的最小細(xì)節(jié)。

那么，有沒有辦法打破衍射極限呢？答案是肯定的。在2000年，英國帝國理工學(xué)院的約翰·彭德里提出了一種超級(jí)透鏡的概念。超級(jí)透鏡是一種利用負(fù)折射率材料制成的薄片，它可以以一種不同尋常的方式折射光，從而抵消衍射效應(yīng)，并將物體的細(xì)節(jié)完美地成像。負(fù)折射率材料是一種人工合成的材料，它可以讓光在進(jìn)入時(shí)向相反的方向彎曲，就像在鏡子里一樣。這樣，光就可以在超級(jí)透鏡中形成一個(gè)實(shí)像，而不是一個(gè)虛像。這個(gè)實(shí)像包含了物體的所有信息，包括那些比光的波長(zhǎng)小得多的信息。如果我們?cè)儆靡粋€(gè)普通的鏡頭來放大這個(gè)實(shí)像，就可以看到物體的超細(xì)節(jié)了。摘自: www.ws46.com

超級(jí)透鏡聽起來很神奇，但是它也有很多問題。首先，超級(jí)透鏡只能在非常接近物體的地方工作，也就是說，它只能成像那些貼在它表面上的物體。其次，超級(jí)透鏡非常損耗，也就是說，它會(huì)吸收很多光的能量，導(dǎo)致成像效果很差。因此，超級(jí)透鏡并沒有實(shí)現(xiàn)它最初的承諾，也沒有給生物學(xué)家和工程師帶來很大的幫助。

那么，有沒有其他的方法可以實(shí)現(xiàn)完美成像呢？答案是肯定的。近年來，物理學(xué)家提出了許多不同的思路和方案，試圖用不同的方式突破衍射極限。這些方法包括利用量子糾纏、非線性光學(xué)、超材料、時(shí)間反演等等。

那么，量子糾纏和超分辨率成像有什么關(guān)系呢？其實(shí)，在2000年，一位叫做雅各布·多爾克的科學(xué)家就提出了一個(gè)理論：如果我們用一對(duì)糾纏的光子來照射一個(gè)物體，并且只測(cè)量其中一個(gè)光子的反射或者透射信號(hào)，那么我們就可以得到比單個(gè)光子更高分辨率的信息。這是因?yàn)榧m纏的光子之間有一種隱含的相關(guān)性，可以增強(qiáng)信號(hào)和噪聲之間的比例。

但是，在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)這個(gè)理論并不容易。直到2019年，一組來自耶路撒冷希伯來大學(xué)的科學(xué)家，才成功地用這種方法，實(shí)現(xiàn)了比衍射極限更高的分辨率。他們用一種叫做自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換的過程，產(chǎn)生了一對(duì)糾纏的光子。然后，他們用其中一個(gè)光子來照射一個(gè)雙縫或者一個(gè)三角形的物體，用另一個(gè)光子來接收信號(hào)。他們發(fā)現(xiàn)，通過測(cè)量糾纏的光子之間的關(guān)聯(lián)性，他們可以得到比單個(gè)光子更清晰的圖像。這就證明了多爾克的理論是正確的。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)重要的突破，它為超分辨率成像開辟了一條新的途徑。它也展示了量子物理學(xué)在光學(xué)領(lǐng)域的巨大潛力。我們期待著這種方法能夠在未來被應(yīng)用到更多的場(chǎng)合，比如生物成像、醫(yī)學(xué)診斷、納米技術(shù)等等。