為了捕捉物體的圖像，攝影師通常需要一個與感興趣的物體相互作用和散射的光源，以及一種檢測從該物體散射的光的方法，以及具有空間分辨率的探測器。然而，攝影的這些成分在生物/敏感標(biāo)本成像中受到限制，因?yàn)槿狈庾羽囸I的檢測能力，這些檢測能力會在相互作用過程中損壞標(biāo)本。

在npj Quantum Information上發(fā)表的一份新報告中，Yiquan Yang和中國物理學(xué)和固態(tài)微結(jié)構(gòu)研究團(tuán)隊(duì)提出并通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了量子成像協(xié)議，減輕了所有三個要求。他們通過利用單像素成像方法將單光子邁克爾遜干涉儀嵌入非線性干涉儀來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這項(xiàng)工作展示了具有未檢測到光子的結(jié)構(gòu)化物體的無交互，單像素量子成像。

這項(xiàng)研究將量子成像的界限推向了一個點(diǎn)，即物體和光子之間不需要相互作用，為在硅檢測波長下用單像素成像表征精細(xì)樣品鋪平了一條新途徑。

新的量子成像協(xié)議

近幾十年來，量子物理學(xué)家開發(fā)了幾種基于量子技術(shù)的成像協(xié)議，擴(kuò)展了光學(xué)成像的應(yīng)用。示例包括鬼影成像、未檢測到光子的量子成像和無相互作用測量。例如，在量子幽靈成像過程中，研究人員必須將糾纏的光子對關(guān)聯(lián)起來，以進(jìn)行雙光子重合測量。這可以通過經(jīng)典的強(qiáng)度-波動相關(guān)性來實(shí)現(xiàn)。

與現(xiàn)代數(shù)碼攝影相比，單像素成像使用一系列掩模來詢問場景以及單像素探測器的相關(guān)強(qiáng)度測量值。在這項(xiàng)工作中，Yang及其同事試圖開發(fā)和演示一種量子成像協(xié)議，以減輕典型成像的需求。

他們通過結(jié)合無相互作用測量(IFM)、單像素成像(SPI)和誘導(dǎo)相干干涉儀來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這些首次研究成果突出了量子成像能力，其中發(fā)光光子和檢測到的光子不與物體相互作用。因此，這種新穎的成像協(xié)議可以表征脆弱或光子敏感的系統(tǒng)，包括生物組織和原子系綜的量子態(tài)?？茖W(xué)家們使用經(jīng)濟(jì)，低噪聲和高效的單光子探測器進(jìn)行長波長，無相互作用的成像。

實(shí)驗(yàn)方法

Yang及其同事開發(fā)了一種包含三個主要部分的實(shí)驗(yàn)裝置，其中包括誘導(dǎo)相干干涉儀，無交互測量干涉儀和單像素成像模塊。他們使用鈮酸鋰晶體作為非線性晶體，并包括各種二向色鏡來分離和組合頻率非簡并光子。整個實(shí)驗(yàn)裝置使得量子干涉儀的形成能夠在誘導(dǎo)相干性的幫助下形成。在實(shí)驗(yàn)過程中，該團(tuán)隊(duì)從二向色鏡反射的前向自發(fā)參數(shù)下轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生了一個空閑光子，并注入到邁克爾遜干涉儀實(shí)現(xiàn)的無相互作用測量模塊中。

由于單個光子由于其粒子特性而不可分割，并且不能在分束器上分裂，因此返回誘導(dǎo)相干干涉儀的空閑光子不太可能通過無相互作用的測量模塊傳播，因此不太可能與物體相互作用?？茖W(xué)家們通過使用空間分辨掩模詢問多像素圖像來同時記錄強(qiáng)度并與單像素探測器相關(guān)聯(lián)，從而在單像素成像模塊中使用信號光子完成了單像素成像。該團(tuán)隊(duì)在數(shù)學(xué)上將圖像描述為I = P. T.，其中我表示像素化圖像，而P是一組掩模，T是相應(yīng)掩模集的相關(guān)光子計(jì)數(shù)的集合。

量子傳感

在實(shí)驗(yàn)的第一步中，該團(tuán)隊(duì)通過將不透明物體插入無交互測量模塊，實(shí)現(xiàn)了未檢測到的光子的無相互作用量子傳感。在沒有物體的情況下，模塊的可見性很高;這種缺陷使惰性光子能夠以低概率返回感應(yīng)相干干涉儀。理想情況下，信號干擾的可見性預(yù)計(jì)為零。在實(shí)踐中，研究人員使用誘導(dǎo)相干干擾的最大擬合計(jì)數(shù)來表示通過無交互測量成功檢測物體，并獲得平均計(jì)數(shù)來表示物體不存在。因此，信號光子的單次計(jì)數(shù)提供了一種方法來確定物體是否存在于無交互測量模塊中而不與之交互。

量子成像

然后，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了未檢測到的光子的無相互作用成像。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們使用增強(qiáng)的CCD相機(jī)以南京大學(xué)3D打印徽標(biāo)的形式對部分結(jié)構(gòu)化物體進(jìn)行成像。在這種情況下，徽標(biāo)上帶有字符的區(qū)域是透明的，而互補(bǔ)區(qū)域是不透明的。特征和剩余區(qū)域?qū)?yīng)于物體的不存在/存在以及不同的干涉可見度?？茖W(xué)家們使用本文介紹的方法在CCD相機(jī)上對未檢測到的光子進(jìn)行無交互成像，最終獲得3D打印NJU徽標(biāo)的重建圖像。

展望

通過這種方式，Yiquan Yang及其同事以與典型數(shù)字成像完全不同的方式展示了未檢測到的光子的無交互，單像素量子成像。科學(xué)家們利用單光子的波粒二象性對探針光子進(jìn)行無相互作用成像。在實(shí)驗(yàn)過程中，基于誘導(dǎo)相干性，空閑光子攜帶的圖像信息不與物體相互作用，而是轉(zhuǎn)移到信號光子上。該團(tuán)隊(duì)通過一系列信號光子計(jì)數(shù)重建了感興趣物體的圖像，這些信號光子計(jì)數(shù)由沒有空間分辨率的可見單光子探測器檢測到。照明光子和探針光子沒有與物體發(fā)生物理相互作用，從而推動量子成像的能力超越了典型的成像過程。

這種方法將使生命科學(xué)家和物理學(xué)家都受益，以探測和成像敏感的生物標(biāo)本和納米材料。該團(tuán)隊(duì)設(shè)想這一結(jié)果將激發(fā)跨多學(xué)科領(lǐng)域更廣泛的研究興趣。