揭示单像素量子幽灵成像中的嵌入相位

已实现的量子幽灵成像装置的示意图。(a) 纠缠的双光子通过自发参数下转换（SPDC）在NLC产生。纠缠的光子在空间上被分离，每个光子被成像到一个SLM上。所需的全息图被显示在每个SLM上。两条路径之间进行重合测量，重合测量结果用于重建物体的图像。对于每个物体，要进行两次测量，如（b）中的数字模拟。然后，这两个图像被结合起来，这样的论证显示了总相位。(c)显示了实验中使用的仅有数字相位的物体，而模拟的图像重建在(d)中显示了数字物体的预期表现。资料来源：Optica（2023）。doi: 10.1364/optica.472980

当形成一个物体的图像时，例如用手机拍摄的照片，与该物体相互作用并穿过或弹出的光被手机中的探测器捕捉到。

大约25年前，科学家们设计了另一种不那么直接的方式来做这件事。在传统的形式下，从两个探测器收集到的信息被使用，通过结合从一个捕捉到与物体相互作用的光的探测器和一个根本没有与该物体相互作用的探测器的信息。不过，正是那些从未与物体发生过相互作用的光线被用来获得图像，从而使该技术被称为 "鬼魂成像"。

当使用纠缠光时，可以利用量子特性在非常低的光照度下进行成像，这在观察生物成像中的光敏样品时是一个很大的优势，因为过多的光照会损坏或改变样品，从而破坏人们希望看到的东西，这在该领域是一个相当大的难题。

使用直接或间接成像，所形成的图像是多少光被释放的结果，因此是物体透明度的结果。然而，还有一种物体与光的互动，可以揭示一些重要的信息并显示丰富的特征。

这就是通过的光的速度加快或减慢，这表现为相位。这意味着你可以看到你正在成像的物体的更多特征和属性，如厚度的变化（提供一个三维信息）或如果里面有不同的透明材料，其折射率有足够大的变化，它改变了光的相位。而由于这是来自于所有通过的光线，你将不能以传统的方式来检测它，往往需要复杂的策略和安排来做到这一点。

南非威特沃特斯兰德大学（Wits University）结构光实验室的研究人员最近开发了一种方法，通过利用传统量子幽灵成像中的 "副作用"，以一种非常简单的方式实现这一目标。该研究发表在《Optica》杂志上。

"我们可以看到相位，这是物体的一个隐藏特征，通常很难揭示，但如果你可以的话，则具有巨大的力量。例如，它是LIGO如何探测引力波的。威茨大学实验室负责人安德鲁-福布斯教授说："现在我们可以很容易地显示物体中隐藏的相位，让人们了解生命系统的内部结构，带来三维（厚度）而不仅仅是常规物体的二维信息，并为量子计量学开辟新的方法--量子版的LIGO，等等。

为了从这里的非交互光中检测出 "幽灵 "图像，研究人员有两种方法可供选择。一种是使用电荷耦合器件（CCD），就像你手机里的那种，但要高度 "强化"，以便看到光的最小形式的光子。然而，这也带来了一个同样强烈的价格标签。

另一个选择是一个简单的 "单像素 "探测器，它只能看到收集到多少光，不能给你任何空间信息。在这里，在选定的位置让光通过的掩膜现在可以被放置和改变在这个检测器前面，以揭示空间信息，并允许人们通过将所有这些信息加在一起来重建图像。

这使得被检测的光的波长和效率方面有了更多的多样性，同时价格也低得多。事实上，这是在开发更敏感的相机之前使用的方法，也是该团队为检测相位信息而利用的方法。

"进一步拿LIGO做类比，你可能会认为，要看到相位是非常复杂和昂贵的。事实上，这也是量子世界的情况，现有的方法使用花哨的相机和复杂的光学系统，这些都是笨重和昂贵的。福布斯说："我们的方法允许我们只用一个像素探测器就能看到所有这些东西。

"我们的方法可以用一个基本上没有分辨率的探测器实现出色的分辨率。我们通过一个以前没有人意识到的数字技巧来实现这一目标。这种隐藏的相位信息一直存在，但你必须知道在哪里寻找它。"

他们通过意识到某些掩膜根据你的构建方式对相位成分自然敏感，并且可以通过智能设计来揭示全部详细的相位结构，以及该技术通常用于的常规信息。这样一来，在用量子光进行单像素成像时，样品的成像方式就多了一层用处，使人们有可能看到3D--揭示物体的厚度或厚度，甚至是透明的物体。

"我们发现信息一直隐藏在技术中，只要稍加调整就能让你看到非常丰富和有趣的特征，"论文的第一作者Bereneice Sephton说，她在博士期间与结构光实验室的同事Isaac Nape博士、Chane Moodley和Jason Francis一起从事这个项目。

"我们希望这可以用于，除其他外，敏感生物样本的成像，以看到特征和属性，如果没有它，就需要更复杂或昂贵的手段。"

更多信息：Bereneice Sephton et al, Revealing the embedded phase in single-pixel quantum ghost imaging, Optica (2023). doi: 10.1364/optica.472980

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