利用未探测到的光进行量子成像蒸馏实验

​量子成像蒸馏原理。我们使用量子成像蒸馏协议从量子图像中去除噪声图像。(A) 我们要蒸馏的量子图像。(B) 叠加在量子图像上的噪声图像。(C) 噪声和量子图像的叠加。(D) 从噪声中提炼出的图像。来源：《科学进展》（2023 年）。DOI: 10.1126/sciadv.adg9573

利用诱导相干效应对物体进行成像是可能的，方法是利用光子对获取感兴趣物体的信息，而不探测探测它的光。当一个光子照亮物体时，只有它的光子对被探测到，从而避免了通过测量巧合事件来揭示所寻找物体的信息。这种方法还可以抵御噪音。

在发表于《科学进展》（Science Advances）的一份新报告中，豪尔赫-富恩扎利达（Jorge Fuenzalida）和德国的一个应用光学、精密工程和理论通信团队通过实验展示了如何使这种方法能够抵御噪声。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，而不受超过实际感兴趣信号的极端噪声水平的影响。

量子成像
量子成像是一个前景广阔的领域，与传统协议相比，它具有有效的优势。研究人员已经在不同的场景中展示了这种方法，它可以利用未检测到的探测光子进行超分辨率成像，从而在低光子通量条件下工作。

科学家还可以基于量子干涉和纠缠，在没有经典对应物的情况下开发量子成像协议。不过，量子成像协议可以抵御噪声。例如，蒸馏或提纯可以消除量子系统中环境带来的退相干。

利用一个和多个光子对自由度实现量子成像蒸馏也是可能的。在这项工作中，Fuenzalida 和团队介绍并通过实验验证了一种仅探测单光子的量子成像蒸馏方法。

未探测光量子成像方法（简称 QIUL）提供了一种双光子宽视场干涉成像方法。在此过程中，一个光子可以照亮一个物体，而照相机只能检测到其伴侣光子。顺便说一句，照亮物体的光子不会被检测到。

这种方法为探测样本提供了一种独特的发现方法。科学家们随后在量子成像方案中引入了一个噪声源，以研究其弹性，即使噪声强度超过量子信号强度的 250 倍，也能显示出良好的性能。

设置。信号光束和惰性光束（分别位于路径 b 和 c 中）是由路径 a 中的泵浦光束与非线性晶体[周期性极化磷酸钛钾 (ppKTP)]在正向相互作用时产生的，而路径 e 和 f 则代表泵浦光束被路径 d 中的镜面 M3 反射回晶体后产生的向下转换光束的传播。为了产生噪声，使用了与信号光子波长（910 nm）相同的激光二极管。路径 e 中的信号光束与路径 g 中的噪声光束通过 10:90 分束器（BS）合并后到达相机。在探测器平面上，我们通过透镜 L2、L4 和 L5 获得量子图像，通过透镜 L6 和 L7 获得噪声图像。线性偏振器控制二极管激光器的泵浦功率。扩散器由一个旋转的研磨玻璃板组成，可产生噪声源的斑点图案。旋转速度由玻璃板电机接口控制。来源：《科学进展》（2023 年）。DOI: 10.1126/sciadv.adg9573

清除量子图像并生成光子对

量子成像蒸馏法是一种用于清除量子图像噪声的方法。研究小组在说明蒸馏法时，将噪声图像定义为叠加在相机量子图像上的无用信号。为了蒸馏图像，Fuenzalida 和团队使用了未探测光量子全息技术（简称 QHUL），将物体信息转化为单光子干涉图案。如果该方法的强度差大于噪声的强度差，研究小组就能提炼出量子图像。

为了通过强泵浦光束与非线性晶体原子的相互作用产生光子对，研究小组使用了自发参量下变频技术。成像方案使用干涉仪在前向和后向传播模式下产生一对信号-惰性光子。该装置中的噪声方差对信号强度方差有影响；信号强度差大于噪声方差就能提炼出量子图像。

对不同噪声强度的适应能力。上一行显示的是量子图像（IOF 字母）和经典图像（正方形）的叠加。每幅图像上方都标明了它们平均强度之间的比率。中间一行是我们通过 QHUL 进行蒸馏技术的实验结果。最后一行是蒸馏图像的横向切面。我们观察到，随着噪声强度的增加，相位估算也在减弱。来源：《科学进展》，DOI: 10.1126/sciadv.adg9573

实验非线性和噪声源
富恩扎利达及其同事利用米歇尔森配置的非线性干涉仪实施了一个实验装置，并用连续波激光对晶体进行泵浦。由于实验具有很强的非线性，研究小组通过沿路径的自发参量下变频产生了光子对，但并非同时产生。他们使用二向色镜将信号光束、惰光束和泵浦光束在前向传播方向上分开，并通过一系列反射镜反射到晶体中。

实验框架中的照相机显示出信号光子的干涉图案，研究小组注意到这是惰光子获得的物体信息转移到信号光子干涉图案中。研究小组使用泵浦功率可变的连续波二极管激光器向系统中引入噪声，并改变经典照明的特性、强度和方差，以研究噪声的影响和蒸馏性能。

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，在不同强度的噪声下蒸馏或净化量子图像。对于量子图像，他们使用的是单次通过晶体时产生的信号光子，在实验过程中信号强度不会发生变化。他们通过在相机上叠加量子图像和经典图像来描述不同噪声强度的特征，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次实验，使用类似的噪声强度配置来量化不同噪声对蒸馏图像相位精度的影响。实验结果与理论相吻合，并与现有方法进行了很好的比较。

蒸馏相位差受噪声变化的影响。不同的噪声配置用不同的颜色和符号表示；见插图。数据点代表不同噪声方差下的实验相位值，虚线代表其拟合值。还包括一条代表泊松噪声的理论黑色实线。在所有配置中，我们观察到噪声方差越大，QHUL 的相位误差越大。我们还证实，相位灵敏度与噪声方差成线性关系。来源：《科学进展》，DOI: 10.1126/sciadv.adg9573

展望

豪尔赫-富恩扎利达及其同事以这种方式研究了双光子宽视场干涉成像方法中的未检测光量子成像（QIUL）。当一个光子照亮感兴趣的物体时，它的伴侣留在相机上，而照亮的光子则未被检测到。科学家们利用未检测光量子全息技术（QHUL）提炼或净化了图像。他们在照相机上的量子图像上部分或完全叠加了经典噪声源，从而证明了这种成像方法。这种方法每次都能成功，即使噪声强度高于信号强度。

研究小组通过模拟极端噪声情况下的量子全息技术，探索了该方法的极限。实验结果为开放系统中的量子成像向前迈进了一步，甚至可以通过使用未探测到的光来研究创新版本的基于量子的光探测和测距（LIDAR）的极限。

参考资料

Jorge Fuenzalida et al, Experimental quantum imaging distillation with undetected light, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg9573

Ron Tenne et al, Super-resolution enhancement by quantum image scanning microscopy, Nature Photonics (2018). DOI: 10.1038/s41566-018-0324-z

本文由光电查搜集整理，未经同行评议，请自行判断可信度。仅供学习使用。