时间-能量关联光子对实现X射线量子干涉测量：突破亚埃级空间与仄秒级时间分辨极限

为解决X射线干涉测量中机械不稳定性和噪声敏感性问题，研究人员利用自发参量下转换(SPDC)产生的纠缠光子对，首次实现X射线SU(1,1)量子干涉仪。该技术通过时间-能量关联测量将相位灵敏度提升至70皮米波长尺度，为原子尺度过程研究提供了全新工具，相关成果发表于《Science Advances》。

　　

在微观世界的探索中，X射线因其极短的波长成为观测原子尺度结构的理想探针。然而传统X射线干涉仪面临的根本困境在于：硅晶体反射面的机械振动会导致亚埃级(1埃=10^-10米)的位移，这已经接近X射线本身的波长尺度(70皮米)，使得测量信号被噪声淹没。更棘手的是，现有技术需要高度单色化的光束，对散射辐射极其敏感，严重制约了在活体样本或动态过程研究中的应用。这些限制就像给科学家戴上了模糊的眼镜，使我们难以看清物质最本真的微观状态。

量子光学领域提出的SU(1,1)干涉仪方案为突破这一极限提供了新思路。与传统Mach-Zehnder干涉仪不同，该方案利用非线性晶体产生纠缠光子对，通过双光子干涉机制实现相位测量。在可见光波段，这种方法已展现出对振动不敏感、可克服系统损耗等优势。但将其拓展到X射线波段面临巨大挑战：需要解决X射线波段非线性转换效率低、相位匹配条件苛刻等技术难题。

研究人员创新性地设计了一种基于单晶硅的X射线SU(1,1)干涉仪。实验在SPring-8和ESRF同步辐射装置上完成，采用35 keV泵浦光束，通过(1,1,1)晶面反射产生17.5 keV纠缠光子对。关键技术包括：1）研制单片集成的双晶片干涉仪（间距5 mm）确保光束自动对准；2）采用硅漂移探测器(SDD)实现纳秒级时间分辨和keV级能量分辨的符合测量；3）开发时间-能量双重滤波算法，从强背景噪声中提取微弱信号。

研究结果部分，"Setup and procedure"详细描述了实验装置：干涉仪由两个厚度0.25 mm的硅晶片组成，相位对象采用2-28 μm可调硅膜。在"Observations"中，数据显示经过能量(14-21 keV)和时间(200 ns窗口)滤波后，信噪比提升10倍，24 μm硅膜测量重复性误差小于1%。"Comparison with theory"部分通过Glauber二阶关联函数理论模拟与实验数据高度吻合，证实了双光子干涉的量子特性。

讨论部分指出，该方法的核心优势在于：1）相位灵敏度比传统方法提高近2倍，源于折射率微小差异(<10^-5)的累积效应；2）通过符合计数有效抑制Compton散射等背景噪声，实现0.27的干涉可见度；3）系统对振动不敏感，为分离式晶体干涉仪开发奠定基础。这些突破使得在强噪声环境下仍能精确测量亚埃级位移，为研究蛋白质动力学、催化反应过程等提供了全新工具。

这项发表于《Science Advances》的工作开辟了X射线量子计量学的新方向。未来通过Medipix3等像素化探测器的应用，可进一步拓展至相位衬度成像领域。正如研究者所言，这仅仅是"解锁X射线波段量子光学效应"的第一步，为探索阿秒尺度超快过程打开了前所未有的观测窗口。