量子成像——一个有前景的领域

发布时间：2023-09-12 15:01:58 所属栏目：外闻来源：互联网

导读： 　　可以利用被兴趣物体反射或发射的光子来获取关于它们的图像而不需要直接照射它们。这种技术有诱导性相关效果。当一个光子照亮物体时，仅检测到其伙伴，从而防止了重合事件的测量，以揭

　　可以利用被兴趣物体反射或发射的光子来获取关于它们的图像而不需要直接照射它们。这种技术有诱导性相关效果。当一个光子照亮物体时，仅检测到其伙伴，从而防止了重合事件的测量，以揭示被追踪的物体的信息。这种方法也可以使它能够抵御噪音。

　　在《科学进展》上发表的一份新报告中，豪尔赫·富恩扎利达（Jorge Fuenzalida）和德国应用光学、精密工程和理论通信团队通过实验展示了该方法如何能够抵御噪声。他们引入了一种基于感兴趣信号的干涉调制的成像蒸馏方法，以生成物体的高质量图像，而不管极端噪声水平超过实际感兴趣信号。

　　量子成像是一个有前途的领域，与传统协议相比，它正在以有效的优势出现。研究人员已经在不同的场景中证明了这种方法，通过利用未检测到的探测光子进行超分辨率成像，在低光子通量范围内工作。

　　科学家还可以开发量子成像协议，而无需基于量子干涉和纠缠的经典对应物。然而，量子成像协议可以对噪声具有弹性。例如，蒸馏或纯化可以消除量子系统中环境引入的退相干。

　　也可以实现具有一个和几个光子对自由度的量子成像蒸馏。在这项工作中，Fuenzalida及其团队引入并实验了一种仅检测单光子的量子成像蒸馏方法。

　　为探测到的光子成像方法（缩写为QIUL）提供了一种双光子宽场干涉成像方法。在此过程中，一个光子可以照亮一个物体，而相机上只能检测到它的伙伴光子。顺便说一下，照亮物体的光子仍然没有被检测到。

　　该方法提供了一种独特的发现方法来探测样品。然后，科学家们在量子成像方案中引入了噪声源，以研究其弹性，即使在噪声强度高于量子信号强度250倍的情况下也显示出良好的性能。

　　清理量子图像并生成光子对

　　量子成像蒸馏是一种用于清除量子图像噪声的方法。该团队说明了蒸馏方法，同时将噪声图像定义为叠加在相机上量子图像上的不需要的信号。为了提炼图像，Fuenzalida和团队使用量子全息术和未检测到的光（缩写为QHUL），其中物体信息被带入单光子干涉图案。如果该方法的强度差异大于噪声的强度方差，则团队可以提炼出量子图像。

　　为了产生由强泵浦束与非线性晶体原子相互作用介导的光子对，该团队使用了自发参数下转换。成像方案使用干涉仪在向前和向后传播模式下产生一对信号空闲光子。设置中的噪声方差会导致信号强度的方差;其中信号强度的差异高于噪声方差可以提炼出量子图像。

　　对不同噪声强度的适应能力。在顶形中，显示了量子（IOF字母）和经典（方形）图像的叠加。它们的平均强度之间的比率在每个图像的顶部说明。在中间一行，展示了我们通过QHUL蒸馏技术的实验结果。在最后一行中，显示了蒸馏图像的横向切割。我们观察到，当噪声强度增加时，相位估计会减小。信用：科学进展，DOI：10.1126 / sciadv.adg9573

　　实验非线性和噪声源

　　Fuenzalida及其同事使用迈克尔逊配置的非线性干涉仪实施了一项实验装置，并用连续波激光器泵浦晶体。由于实验的强非线性，该团队通过沿路径的自发参数下转换生成了光子对，尽管从未同时生成。他们使用二向色镜在向前传播方向上分离信号束、凸轮束和泵浦光束，并用一系列镜子反射到晶体中。

　　实验框架中的相机显示了信号光子的干涉图案，研究小组注意到这是由空闲光子获得的物体信息转移到信号光子干涉图案。该团队使用具有可变泵浦功率的连续波二极管激光器将噪声引入系统，并改变经典照明、强度和方差的特性，以检查噪声和蒸馏性能的影响。

　　不同噪声强度下的蒸馏性能

　　科学家们将经典图像和量子图像叠加在一起，用未检测到的光进行量子全息，以在不同强度的噪声下蒸馏或清洁量子图像。对于量子图像，他们使用在通过晶体的单次传递中产生的信号光子，其中信号强度在实验过程中没有变化。他们通过在相机上叠加量子和经典图像来表征不同的噪声强度，并且随着噪声强度的增加，他们测量了实验结果的准确性。

　　研究人员进行了第二个实验，通过使用类似的噪声强度配置来量化变化噪声对蒸馏图像相位精度的影响。这种实验观察到的行为与相关理论假设吻合良好，与目前的现有数值模拟方法相比良好。

　　蒸馏相方差受噪声方差影响。具有四种不同旋转速度的光扩散器用于改变噪声照明的属性;见补充文D。不同的噪声配置由不同的颜色和符号表示;请参阅插图。数据点表示针对不同噪声方差获得的实验阶段值，虚线表示它们的拟合。还包括表示柏松噪声的理论黑色实线。在所有配置中，我们观察到较高的噪声方差会增加QHUL中的相位误差。我们还证实，相位灵敏度与噪声方差呈线性关系。信用：科学进展，DOI：10.1126 / sciadv.adg9573

　　通过这种方式，Jorge Fuenzalida及其同事在双光子宽场干涉成像方法中研究了未检测到的光（QIUL）的量子成像。当一个光子照亮感兴趣的物体并且它的伙伴留在相机上时，照亮的光子仍然没有被发现。科学家们通过使用未检测到的光（QHUL）的量子全息技术来蒸馏或清洁图像。他们通过将部分或完全经典的噪声源叠加在相机上的量子图像之上来证明成像方法。该方法每次都有效，即使噪声强度高于信号强度也是如此。

　　该团队通过展示极端噪声场景下的量子全息模拟来探索该方法的局限性。实验结果为开放系统中的量子成像向前迈出了一步，甚至可以通过使用未检测到的光来检查基于量子的光检测和测距（LIDAR）的创新版本的局限性。研究人员表示，这项工作将有助于解决这些问题，并为未来的量子计算应用铺平道路。

（编辑：宁德站长网）

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