明亮、超快的 X 射線自由電子激光 (XFEL) 脈沖源可以在短短幾小時內檢測數百萬個單個粒子。通過分別對每個粒子進行成像，XFEL 打開了一扇前所未有的窗口，揭示了每個粒子結構和動力學中細微但重要的差異。然而，這種形式的單粒子成像伴隨著一項艱巨的機器學習任務：每個粒子都引入了幾個必須推斷的不可測量的干擾參數(粒子的方向、位置、狀態等);復雜的是不同 XFEL 脈沖的強度和波前分布之間的差異。眾所周知，這些脈沖很難在焦點處進行表征，因為它們非常強烈，以至于很容易抹掉用于表征 X 射線的傳統儀器。
由新加坡國立大學生物科學系和物理系 Duane Loh 教授領導的研究小組與來自瑞典、英國、意大利和美利堅合眾國的國際合作伙伴合作，能夠使用一種被稱為混合態 ptychography 的技術，用于解析來自 SLAC 國家加速器實驗室的直線加速器相干光源的數千個 XFEL 脈沖。與傳統的基于可見光的顯微鏡不同，后者使用物理鏡頭來形成圖像，XFEL 照明粒子的結構必須改為使用計算透鏡(例如 ptychography)來推斷，這些透鏡使用基于 X 射線的科學和光學的已知原理形成圖像。額外的復雜情況是，由于它們是自發產生的，沒有兩個 XFEL 脈沖是相同的?；旌蠣顟B形式主義非常好地處理了這種不確定性。他們的技術具有使用非常小的信號強度的額外優勢。這很重要，因為必須高度衰減 X 射線脈沖的功率以保護被照亮的參考目標。
數以千計的 X 射線脈沖之間的關鍵差異被定量捕獲并形成為結構確定和實驗設計的重要先決條件。
Loh 教授說：“基于 XFEL 的成像實驗有時感覺就像在蒙住眼睛的狀態下同時玩幾場國際象棋游戲。我們的工作最終揭示了哪些成像參數對于解決隱藏在粒子集合中的結構類別至關重要。”
這項工作展示了一種插入式方案，可在幾分鐘內快速表征和優化數以萬計的極其明亮和聚焦的 X 射線脈沖。最終的目標是在成像時做同樣的事情——從每個脈沖中吸走一小部分未散射的 X 射線光子，以進行真正的實時和并發診斷。
