量子和經(jīng)典幽靈成像

幽靈成像是最早使用量子光的成像技術(shù)之一，自 20 世紀 90 年代中期問世以來一直吸引著研究人員的目光。1995 年，皮特曼等人利用自發(fā)參量下變頻（SPDC）產(chǎn)生的量子光首次展示了鬼影成像的概念，SPDC 是一種非線性光學(xué)過程，可將一個泵浦光子轉(zhuǎn)換成兩個能量較低的糾纏光子。

在這個實驗中（圖 1a），空間糾纏光子被分離，其中一個光子穿過一個物體，并被一個沒有空間分辨率的水桶探測器收集，而閑置光子則被發(fā)送到一個多像素攝像頭。通過測量水桶探測器和照相機之間的重合事件，可以重建物體，盡管照相機檢測到的光子并沒有直接與物體發(fā)生相互作用！這種非局部特性導(dǎo)致了 “幽靈成像 ”一詞的出現(xiàn)。

圖 1 - 鬼影成像的三種實現(xiàn)方式：(a) 利用 SPDC 產(chǎn)生的空間糾纏光子對進行量子鬼影成像。(b) 利用激光和旋轉(zhuǎn)擴散器產(chǎn)生的偽熱光進行經(jīng)典鬼影成像。(c) 利用單個探測器和計算場模式的計算鬼影成像。DM -二向色鏡，BS -分光鏡，SLM-空間光調(diào)制器，iccd-強化電荷耦合器件（相機）。

這種技術(shù)的關(guān)鍵在于兩個光子的空間相關(guān)性：被物體遮擋的區(qū)域無法到達桶式探測器，因此相機中的相應(yīng)像素不會發(fā)生巧合事件。但我們必須記住：相關(guān)性并不一定意味著糾纏！量子糾纏在這項技術(shù)中是否起著關(guān)鍵作用？這是一場持續(xù)了數(shù)年的爭論的主題。

糾纏是鬼影成像的固有特性。然而，2002年，Bennik等人利用隨機偏轉(zhuǎn)不同角度的兩束經(jīng)典相關(guān)光束演示了鬼影成像。還有人利用旋轉(zhuǎn)擴散器探索了類似的經(jīng)典相關(guān)性，產(chǎn)生了相關(guān)的偽熱光（圖 1b）。

計算幽靈成像

這場爭論的一個重要成果就是沙皮羅提出并由布羅姆伯格等人演示的計算鬼影成像法。在這種方法中，只使用了一個探測器，而高分辨率照相機則被使用空間光調(diào)制器形成的傳播場計算所取代（圖 1c）。這里的關(guān)鍵在于，我們對傳播到相機的光子了如指掌，因此我們可以利用這些知識進行計算，從而擺脫物理相機的束縛。通過將斗形探測器測量到的強度與計算出的物體平面上的場相關(guān)聯(lián)，即可獲得物體圖像。

雖然這種計算方法已經(jīng)簡化了實驗裝置，但研究人員很快意識到，利用現(xiàn)代圖像處理技術(shù)，尤其是利用圖像結(jié)構(gòu)的先驗知識，可以大大減少測量次數(shù)。值得注意的是，對于大多數(shù)成像任務(wù)來說，這類信息都是存在的：自然圖像是稀疏的，也就是說，在適當?shù)幕A(chǔ)上表示時，它們包含許多接近或等于零的系數(shù)。自然圖像的這一特性正是 JPEG 等現(xiàn)代有損圖像壓縮算法的核心。壓縮傳感領(lǐng)域利用這種稀疏性/可壓縮性來減少忠實圖像復(fù)原所需的測量次數(shù)。利用這種技術(shù)可將忠實重建所需的測量次數(shù)減少一個數(shù)量級。

現(xiàn)狀和未來方向

計算鬼影成像僅使用單個探測器這一事實提供了實驗證據(jù)，證明偽熱鬼影成像本質(zhì)上并不依賴于非局部量子相關(guān)性?，F(xiàn)在人們還認識到，量子方法和經(jīng)典方法產(chǎn)生的圖像分辨率相似。利用量子光進行鬼影成像的主要優(yōu)勢在于低光照度，在低光照度下，量子模式表現(xiàn)出更高的可見度和信噪比。這在對高光照度敏感的樣品成像時尤為重要。

自首次展示以來，鬼影成像的許多擴展、應(yīng)用和模式仍在探索之中，至今已近 30 年。您是否對量子光的鬼影成像感興趣？或者想探索量子糾纏的其他應(yīng)用案例？歡迎了解我們用于產(chǎn)生糾纏光子的 PPKTP 晶體和 BBO 晶體。