京都大學研究生院工學研究科特定研究員阿部尚文（研究當時）、堀野智康碩士研究生（研究當時）、川口蓉子碩士研究生（研究當時）、岡本亮副教授、竹內繁樹教授等人的研究團隊，成功實現了擁有世界最高體積解析度的量子光學相干斷層成像（QOCT），體積解析度達4.04飛昇，將既往QOCT的體積解析度大幅提升至原本的43倍。此外，團隊還開發了運用圖論中最大團搜尋的新型演算法，實現了曾為QOCT重大障礙的偽信號的高速去除，由此便可開展高解析度、非侵入式的三維微結構觀測，未來該技術有望在材料科學、生命科學等廣泛領域得到應用。相關研究成果已發表在期刊《Optics Express》的網路版上。
圖1 竹內繁樹教授（圖片提供：科學新聞社）
圖2量子光學相干斷層成像（QOCT）示意圖。右側圖表為去除偽信號後的QOCT成像圖。（圖片提供：京都大學工學研究科竹內研究室）
光學相干斷層成像（OCT）是一種利用光的干涉檢測光在介質內部的反射位置，進而實現介質內部結構成像的技術，已在眼科眼底檢查、工業產品生產過程檢測等場景中得到廣泛普及。然而，既往OCT存在受光色散影響導致解析度劣化等技術課題。
通過操控單個量子的行為與關聯（量子糾纏），突破既往測量技術極限的光量子感測研究正蓬勃開展。其中，採用量子糾纏光的量子光學相干斷層成像不受樣品內部色散影響，有望實現高於既往OCT的解析度，因而備受關注。
然而，受技術難度限制，此前QOCT的體積解析度最高僅為176飛昇，除此之外QOCT還存在成像中會出現特有偽信號的問題。
研究團隊通過優化光學系統設計，開發出了可產生寬頻帶量子糾纏光的光源，並且設計搭建了一套即使針對此類寬頻糾纏光，也可充分抑制像差（即光線波長不同導致聚焦位置存在差異的現象）的光學系統。
研究由此實現了全球最高的體積解析度，同時也在該解析度區間內驗證了系統的色散耐受能力。實驗證實，即使插入具有強光學色散特性的硒化鋅（ZnSe）玻片，系統仍可維持解析度不劣化的自動色散抵消效果。
此外，團隊還開發了運用圖論中最大團搜尋的新型演算法，實現了曾為QOCT重大障礙的偽信號的高速去除。研究團隊著眼於偽信號「出現在兩個反射面中點」的特性，萌生了將偽信號識別問題歸約為圖論最大團搜尋這一數學問題的構想。基於這一構想，團隊設計出可識別並去除偽信號的演算法。讓原本需要數分鐘完成的分析工作，在普通筆記型電腦上僅需約0.2秒（237毫秒）就能超高速完成。
竹內教授表示：「其實嘗試運用圖論的想法，是由一位名叫堀野的學生提出的。他雖然讀的是電氣電子工學科，但也可以修讀資訊類課程，他基於學到的資訊領域知識萌生了這一構想，之後和副教授一同將其打磨完善，整件事的經過就是這樣。」
據悉，約3年前竹內教授等人發起組建了由十餘家企業加盟的光量子感測社會應用聯盟，目前已在聯盟內部啟動了面向社會應用的討論。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Optics Express
論文：High-volume-resolution quantum optical coherence tomography imaging with efficient artifact removal
DOI：10.1364/OE.574265
