无交互单像素量子成像

      为了拍摄到物体的图像，摄影师通常需要一个与目标物体相互作用的散射光源，还有一种能够检测到该物体散射光的方法，以及一台具有高空间分辨率的探测器。但是，在生物敏感样本成像中，上述摄影需要满足的条件会受到一定的限制，原因在于光子检测能力不足，这会在相互作用过程中对样本造成损伤。为了解决这个问题，Yiquan Yang和中国物理学和固态微结构研究团队在实验上实现了量子成像协议，他们通过单像素成像方法将单光子迈克尔逊干涉仪嵌入非线性干涉仪，做到了未检测到光子的结构化物体的无交互、单像素量子成像，有效降低了对传统成像所需的三个条件的依赖。该研究以“Quantum imaging with undetected photons”为题发表在Nature上（ DOI: 10.1038/nature13586）。

图1 无交互、单像素量子成像的概念方案

       这项研究拓宽了量子成像的边界，已经到达了物体和光子之间不需要相互作用的水平，为在硅检测波长下使用单像素成像表征精细样品提供了一条新途径。

       最近几十年来，量子物理学家开发了多种基于量子技术的成像协议，大大扩展了光学成像的应用。比如鬼成像、未检测到光子的量子成像和无相互作用成像。

       与现代数码摄影相比，单像素成像作为一种典型的计算成像方式,利用单像素探测器测量一系列掩模图像照射目标之后的光强值,进而通过不同重构算法恢复目标图像.。在该研究中，Yang 及其同事尝试开发一种量子成像协议，以减轻典型成像的需求。他们通过结合无相互作用测量 (IFM)、单像素成像 (SPI) 和诱导相干干涉仪实现了这一目标。该研究成果展现出量子成像的显著效果，其中照明光子和检测到的光子不与物体相互作用。因此，这种新型的成像协议可以用来表征光子敏感系统，包括生物组织和原子集合体的量子态，这使得科研人员可以使用经济、高效、低噪声的单光子探测器实现长波长、无相互作用成像。

       该实验装置主要包括感应相干干涉仪、无相互作用测量干涉仪和单像素成像模块三部分。研究团队使用铌酸锂晶体作为非线性晶体，还有各种二向色镜来分离和组合频率非退化光子。

       在实验过程中，该团队从二向色镜反射的前向自发参量下转换过程中产生闲散光子，并注入由迈克尔逊干涉仪实现的无相互作用测量模块。

       单个光子由于其粒子特性而不可分，并且不能在分束器上分裂，因此返回到感应相干干涉仪的闲散光子不太可能通过无相互作用测量模块传播，因此不会与物体发生相互作用。研究人员通过使用空间分辨掩模询问多像素图像来同时记录强度并与单像素探测器相关联，从而在单像素成像模块中使用信号光子完成了单像素成像。该团队用数学方法将图像描述为I = P. T.，其中I代表像素化图像，而P是一组掩膜，T是相应掩膜集的相关光子计数的集合。

       首先，该团队通过将不透明物体插入无相互作用测量模块，实现了未检测到光子的无相互作用量子传感。在没有物体的情况下，模块的可见性很高；这种缺陷使闲散光子以较低的概率返回感应相干干涉仪。理想情况下，信号干扰的可见性应该为零。实际上，研究人员使用诱导相干干涉的最大拟合计数来表示通过无交互测量成功检测到物体，并获得平均计数来表示物体的不存在。因此，信号光子的单次计数提供了一种方法来确定物体是否存在于无相互作用测量模块中而不与其相互作用。

图2 “NJU”字符与未检测光子的无交互量子成像结果

       然后，该团队实现了用未检测到的光子进行无交互成像。研究过程中，他们使用增强型CCD相机拍摄了南京大学3D打印标志形式的部分结构化对象。这种情况下，标志上带有字符的区域是透明的，而互补区域是不透明的。字符和剩余区域对应于物体的不存在/存在以及不同的干扰可见度。研究人员通过上述方法，在CCD相机上用未检测到的光子进行无交互成像，最终获得3D打印的NJU标志的重建图像。

图3 “NJU”字符与未检测光子的无交互单像素量子成像结果

       通过这种方式，Yiquan Yang 及其同事通过与典型数字成像完全不同的方式展示了无交互的单像素量子成像。他们利用单光子的波粒二象性与探测光子进行无相互作用成像。在实验过程中，基于诱导相干性，闲散光子携带的图像信息不与物体相互作用，而是转移到信号光子上。该团队通过一系列信号光子计数重建了目标物体的图像，这些信号光子计数由没有空间分辨率的可见单光子探测器检测到。照明光子和探测光子不与物体发生物理相互作用，从而使量子成像的能力超越了传统成像。该研究有望应用于生命科学家和物理学家探测和成像敏感的生物样本和纳米材料，促进跨学科领域的进一步发展。