量子技术助力识别生命分子的“左右手”差异

手性是分子的镜像不对称特性，生物分子常以互为镜像的对映体形式存在（如L型氨基酸和D型氨基酸），其生物活性差异显著，例如一种对映体可能是有效药物，而另一种可能具有毒性，因此高灵敏度的手性识别对生物研究、药物开发和疾病诊断至关重要。
传统手性识别主要依赖圆偏振光的手性光学方法，如旋光色散、圆二色性等，但这些方法因依赖磁偶极或电四极相互作用，手性响应信号微弱，需长时间测量和大样本量，且分子跃迁能区多在紫外光区， prolonged照射可能破坏生物分子活性。尽管纳米光子学、高精细腔等技术增强了可见光区的手性光-物质相互作用并减少光损伤，但部分纳米材料可能引入背景噪声；光场时空结构调控也未能突破散粒噪声极限——这是由光场量子涨落导致的灵敏度基本限制，增加光强虽能提升灵敏度却会加剧光损伤，形成难以平衡的矛盾。
量子光学计量为解决此问题提供了新思路。本研究提出利用连续变量（CV）偏振纠缠态作为量子探针，实现中等光子通量下的高灵敏度手性识别。实验中，通过铷-85原子系综的四波混频过程，在两个参量放大器中产生两束正交偏振的双模压缩态（TMSS），再经偏振分束器相干叠加构建CV偏振纠缠态。该纠缠态通过抑制量子噪声，突破散粒噪声限制。
实验结果显示，在相同光子通量下，纠缠探针的量子噪声比散粒噪声水平抑制约6分贝，信号信噪比提升约5分贝。对液相精氨酸（L型和D型）的检测表明，纠缠探针能分辨低至0.075 g/ml的浓度，是传统相干光探针的1/3；在对映体过量（e.e.）测量中，纠缠探针可检测更低的e.e.值，显著优于传统方法。
该方法通过量子噪声抑制而非增强光-物质相互作用来提升灵敏度，避免了光损伤风险，为生物分子分析、药物活性评估、环境监测等领域提供了安全且高灵敏的手性分析技术，未来与传统方法结合有望进一步突破检测极限。