研究人员设计出新的量子光子技术以创造更好的全息图像

(A)信号和参考制备。(B)干涉仪和检测。SHG，二次谐波发生；SPF，短通滤波器；BPF，带通滤波器；ND，中性密度滤波器；BBO，β-硼酸钡；PBS，偏振分束器；B，束块；APD，雪崩光电二极管；HWP，半波板；H/V，水平/垂直偏振；f，凸透镜；PBD，偏振分束器。(C) 两束输出光的典型强度图像。由于光束的相位不相关，因此看不到一阶干涉。4f透镜系统将SLM平面成像到相机上。来源：Science Advances (2023)。DOI: 10.1126/sciadv.adh1439

通过记录和重建包含单个光粒子的微弱光束，一项新技术为远距离物体的全息成像打开了大门。

来自渥太华大学、加拿大国家研究理事会（NRC）和伦敦帝国理工学院的研究人员开发出一种新的量子启发技术，用于全息成像，即使用激光渲染三维图像--就像《星际迷航》和《星球大战》中那样。

在渥太华大学理学院物理学兼职教授本杰明-苏斯曼（Benjamin Sussman）博士的领导下，研究人员在渥太华大学-NRC极端光子学联合中心合作开发了一种开创性的量子全息技术。他们的目标是记录和重建极其微弱的光束，这些光束仅由被称为光子的单个光粒子组成。

他们的研究成果有望彻底改变三维场景重建技术，并为各个领域带来大量应用。

准确重建三维场景一直是成像领域的目标。从自动驾驶汽车到增强现实等应用都依赖于这一领域的进步。

"我们团队推出的量子启发全息技术与传统全息方法相比具有两个显著优势，"项目负责人Sussman说。

"首先，它对全息图记录过程中的机械不稳定性（如振动）具有显著的适应性。传统的全息技术因易受振动影响而需要较短的曝光时间，而这项新技术则不同，它使研究人员能够长时间记录全息图，确保卓越的精度。其次，我们的新技术可用于记录自发光体或远程物体的全息图像。

这开辟了许多可能性，为远距离物体的三维成像以及量子点和单原子单光子发射的空间形状表征铺平了道路。

"Sussman说："量子成像技术的进步和尖端商业相机技术的可用性使研究团队的成就成为可能。"通过利用先进的相机（每当检测到单个光粒子时，相机都会提供精确的时间和位置标记），我们能够解决记录全息图所需的相关性问题。这一突破凸显了量子研究与技术发展之间的协同作用。

传统摄影主要捕捉场景的强度，而全息摄影则更进一步，它结合了相位信息，即从场景不同部分采集的光之间的相对延迟。

振幅干涉是指两种波的振幅（或能量）可以建设性或破坏性地相加的现象，在全息摄影中起着至关重要的作用。然而，新开发的技术使用的是一种不同类型的干涉。"我们的全息图记录了两个光源强度之间的相关性，"论文第一作者、渥太华大学前理学硕士生Guillaume Thekkadath博士说。"这些相关性甚至可以揭示单光子的量子干涉效应"。

这项研究的影响是深远的，从增强现有的全息技术到天文学、纳米技术和量子计算等领域的全新应用。全息技术的未来无疑是光明的。

该研究的论文Intensity interferometry for holography with quantum and classical light发表在Science Advances上。
 

参考资料

Guillaume Thekkadath et al, Intensity interferometry for holography with quantum and classical light, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh1439

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