Quantum imaging is an ever expanding research field in which the aim is to exploit the quantum nature of light to enhance image reconstruction capabilities. Despite a number of successful demonstrations for quantum imaging, quantum microscopy still seems out of the range for practical applications due to different physical and technical reasons. Here, we propose an imaging method exploiting the quantum correlations of photon pairs and a scanning microscope to achieve fast, single mode quantum imaging. We first test our technique on a metal grating to estimate the resolution capabilities of our system. Moreover, we assess its potential in terms of the number of available independent pixels at full resolution compared to different quantum imaging approaches. Finally, we demonstrate scanning quantum microscopy of onion epithelial cells, paving the way toward scalable quantum microscopy for bio-physical applications. Our results, combined with the rapidly evolving photon-pair generation and detection technology toward the mid-infrared, could lead to an extension of quantum microscopy applications toward the mid-infrared to access the molecular fingerprint region.

1.
A.
Einstein
,
Y.
Podolsky
, and
N.
Rosen
,
Phys. Rev.
47
,
777
(
1935
).
2.
E.
Jakeman
and
J. G.
Rarity
,
Opt. Commun.
59
,
219
223
(
1986
).
3.
M.
Genovese
,
J. Opt.
18
,
073002
(
2016
).
4.
S.
Lloyd
,
Science
321
,
1463
1465
(
2008
).
5.
E. D.
Lopaeva
,
I. R.
Berchera
,
I. P.
Degiovanni
,
S.
Olivares
,
G.
Brida
, and
M.
Genovese
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
153603
(
2013
).
6.
D. N.
Klyshko
,
Sov. Phys. Usp.
31
,
74
(
1988
).
7.
T. B.
Pittman
,
Y. H.
Shih
,
D. V.
Strekalov
, and
A. V.
Sergienko
,
Phys. Rev. A
52
,
R3429
R3432
(
1995
).
8.
G. B.
Lemos
,
V.
Borish
,
G. D.
Cole
,
S.
Ramelov
,
R.
Lapkiewicz
, and
A.
Zeilinger
,
Nature
512
,
409
412
(
2014
).
9.
D. A.
Kalashnikov
,
A. V.
Paterova
,
S. P.
Kulik
, and
L. A.
Krivitsky
,
Nat. Photonics
10
,
98
101
(
2016
).
10.
S.
Mukamel
,
M.
Freyberger
,
W.
Schleich
,
M.
Bellini
,
A.
Zavatta
,
G.
Leuchs
,
C.
Silberhorn
,
R. W.
Boyd
,
L. L.
Sánchez-Soto
,
A.
Stefanov
,
M.
Barbieri
,
A.
Paterova
,
L.
Krivitsky
,
S.
Shwartz
,
K.
Tamasaku
,
K.
Dorfman
,
F.
Schlawin
,
V.
Sandoghdar
,
M.
Raymer
,
A.
Marcus
,
O.
Varnavski
,
T.
Goodson
,
Z. Y.
Zhou
,
B. S.
Shi
,
S.
Asban
,
M.
Scully
,
G.
Agarwal
,
T.
Peng
,
A. V.
Sokolov
,
Z. D.
Zhang
,
M. S.
Zubairy
,
I. A.
Vartanyants
,
E.
del Valle
, and
F.
Laussy
,
J. Phys. B
53
,
072002
(
2020
).
11.
C. A.
Casacio
,
L. S.
Madsen
,
A.
Terrasson
,
M.
Waleed
,
K.
Barnscheidt
,
B.
Hage
,
M. A.
Taylor
, and
W. P.
Bowen
,
Nature
594
,
201
206
(
2021
).
12.
E.
Losero
,
I.
Ruo-Berchera
,
A.
Meda
,
A.
Avella
,
O.
Sambataro
, and
M.
Genovese
,
Phys. Rev. A
100
,
063818
(
2019
).
13.
T.
Ono
,
R.
Okamoto
, and
S.
Takeuchi
,
Nat. Commun.
4
,
2426
(
2013
).
14.
T.
Gregory
,
P. A.
Moreau
,
E.
Toninelli
, and
M. J.
Padgett
,
Sci. Adv.
6
,
eeay2652
(
2020
).
15.
J.
Sabines-Chesterking
,
A. R.
McMillan
,
P. A.
Moreau
,
S. K.
Joshi
,
S.
Knauer
,
E.
Johnston
,
J. G.
Rarity
, and
J. C. F.
Matthews
,
Opt. Express
27
,
30810
30818
(
2019
).
16.
J.
Sabines-Chesterking
,
R.
Whittaker
,
S. K.
Joshi
,
P. M.
Birchall
,
P. A.
Moreau
,
A.
McMillan
,
H. V.
Cable
,
J. L.
O'Brien
,
J. G.
Rarity
, and
J. C. F.
Matthews
,
Phys. Rev. Appl.
8
,
014016
(
2017
).
17.
G.
Brida
,
M.
Genovese
, and
I.
Ruo-Berchera
,
Nat. Photonics
4
,
227
230
(
2010
).
18.
N.
Samantaray
,
I.
Ruo-Berchera
,
A.
Meda
, and
M.
Genovese
,
Light
6
,
e17005
(
2017
).
19.
R.
Whittaker
,
C.
Erven
,
A.
Neville
,
M.
Berry
,
J. L.
O'Brien
,
H.
Cable
, and
J. C. F.
Matthews
,
New J. Phys.
19
,
023013
(
2017
).
20.
P. A.
Moreau
,
J.
Sabines-Chesterking
,
R.
Whittaker
,
S. K.
Joshi
,
P. M.
Birchall
,
A.
McMillan
,
J. G.
Rarity
, and
J. C. F.
Matthews
,
Sci. Rep.
7
,
6256
(
2017
).
21.
C. W. S.
Chang
,
A. M.
Vadiraj
,
J.
Bourassa
,
B.
Balaji
, and
C. M.
Wilson
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
112601
(
2019
).
22.
L.
Cohen
,
E. S.
Matekole
,
Y.
Sher
,
D.
Istrati
,
H. S.
Eisenberg
, and
J. P.
Dowling
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
203601
(
2019
).
23.
P. A.
Morris
,
R. S.
Aspden
,
J. E.
Bell
,
R. W.
Boyd
, and
M. J.
Padgett
,
Nat. Commun.
6
,
5913
(
2015
).
24.
M.
Mazelanik
,
A.
Leszczyński
,
M.
Lipka
,
W.
Wasilewski
, and
M.
Parniak
,
Quantum
5
,
493
(
2021
).
25.
M.
Zarghami
,
L.
Gasparini
,
L.
Parmesan
,
M.
Moreno-Garcia
,
A.
Stefanov
,
B.
Bessire
,
M.
Unternährer
, and
M.
Perenzoni
,
IEEE J. Solid-State Circuits
55
,
2819
2830
(
2020
).
26.
B.
Ndagano
,
H.
Defienne
,
D.
Branford
,
Y. D.
Shah
,
A.
Lyons
,
N.
Westerberg
,
E. M.
Gauger
, and
D.
Faccio
,
Nat. Photonics
16
,
384
389
(
2022
).
27.
X.
Gao
,
Y.
Zhang
,
A.
D'Errico
,
K.
Heshami
, and
E.
Karimi
,
Opt. Express
30
,
19456
19464
(
2022
).
28.
C.
Pitsch
,
D.
Wanter
,
S.
Grosse
,
W.
Brockherde
,
H.
Bürsing
, and
M.
Eichhorn
,
Appl. Opt.
60
,
F66
F70
(
2021
).
29.
B. E. A.
Saleh
and
M. C.
Teich
,
Fundamentals of Photonics
, 2nd ed. (
Wiley
,
2007
).
30.
A. S.
Solntsev
,
F.
Setzpfandt
,
A. S.
Clark
,
C. W.
Wu
,
M. J.
Collins
,
C. L.
Xiong
,
A.
Schreiber
,
F.
Katzschmann
,
F.
Eilenberger
,
R.
Schiek
,
W.
Sohler
,
A.
Mitchell
,
C.
Silberhorn
,
B. J.
Eggleton
,
T.
Pertsch
,
A. A.
Sukhorukov
,
D. N.
Neshev
, and
Y. S.
Kivshar
,
Phys. Rev. X
4
,
031007
(
2014
).
31.
A. S.
Solntsev
,
P.
Kumar
,
T.
Pertsch
,
A. A.
Sukhorukov
, and
F.
Setzpfandt
,
APL Photonics
3
,
021301
(
2018
).
32.
V.
Verma
,
B.
Korzh
,
A.
Walter
,
A.
Lita
,
R.
Briggs
,
M.
Colangelo
,
Y.
Zhai
,
E.
Wollman
,
A.
Beyer
, and
J.
Allmaras
,
APL Photonics
6
,
056101
(
2021
).
33.
A.
Vega
,
E. A.
Santos
,
J.
Fuenzalida
,
M.
Gilaberte-Basset
,
T.
Pertsch
,
M.
Gräfe
,
S.
Saravi
, and
F.
Setzpfandt
, arXiv:2203.06106v1 (
2022
).
34.
A.
Meda
,
E.
Losero
,
N.
Samantaray
,
F.
Scafirimuto
,
S.
Pradyumna
,
A.
Avella
,
I.
Ruo-Berchera
, and
M.
Genovese
,
J. Opt.
19
,
094002
(
2017
).
35.
T. R.
Corle
and
G. S.
Kino
,
Confocal Scanning Optical Microscopy and Related Imaging Systems
(
Elsevier Academic Press
,
1996
).
36.
J. D.
Parker
,
M.
Harada
,
K.
Hattori
,
S.
Iwaki
,
S.
Kabuki
,
Y.
Kishimoto
,
H.
Kubo
,
S.
Kurosawa
,
Y.
Matsuoka
,
K.
Miuchi
,
T.
Mizumoto
,
H.
Nishimura
,
T.
Oku
,
T.
Sawano
,
T.
Shinohara
,
J.
Suzuki
,
A.
Takada
,
T.
Tanimori
, and
K.
Ueno
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
726
,
155
161
(
2013
).
37.
Y. F.
Wang
,
J. M.
Que
,
D. Q.
Cao
,
C. L.
Sun
,
W.
Zhao
,
C. F.
Wei
,
R. J.
Ghi
, and
L.
Wei
,
Chin. Phys. C
37
,
078202
(
2013
).
38.
I.
Kviatkovsky
,
H. M.
Chrzanowski
, and
S.
Ramelow
,
Opt. Express
30
,
5916
5925
(
2022
).
39.
J. R.
Groff
,
Phys. Teach.
50
,
420
423
(
2012
).
40.
M. K.
Kim
,
L.
Yu
, and
C. J.
Mann
,
J. Opt. A
8
,
S518
(
2006
).
41.
M. G.
Basset
,
F.
Setzpfandt
,
F.
Steinlechner
,
E.
Beckert
,
T.
Pertsch
, and
M.
Gräfe
,
Laser Photonics Rev.
13
,
1900097
(
2019
).
42.
K. B.
Bec
,
J.
Grabska
, and
C. W.
Huck
,
Molecules
25
,
2948
(
2020
).
43.
M.
Kumar
,
P.
Kumar
,
A.
Vega
,
M. A.
Weissflog
,
T.
Pertsch
, and
F.
Setzpfandt
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
244001
(
2021
).
44.
N.
Uzunbajakava
,
A.
Lenferink
,
Y.
Kraan
,
G.
Vrensen
,
J.
Greve
, and
C.
Otto
,
Biophys. J.
84
,
3968
3981
(
2003
).
You do not currently have access to this content.