實(shí)驗(yàn)結(jié)果：a.實(shí)驗(yàn)裝置。b.相機(jī)上的強(qiáng)度圖像和c.相關(guān)圖像。

索邦大學(xué)巴黎納米科學(xué)研究所的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新方法，可將圖像編碼到光子對(duì)的量子相關(guān)性中，使其成為傳統(tǒng)成像技術(shù)所無(wú)法看到的。這項(xiàng)研究發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)雜志上。

糾纏光子在包括量子計(jì)算和密碼學(xué)在內(nèi)的各種量子光子學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這些光子可以通過(guò)非線性晶體中一種叫做自發(fā)參量下變頻(SPDC)的過(guò)程產(chǎn)生。在 SPDC 過(guò)程中，來(lái)自高能量(藍(lán)色)泵浦激光器的單光子會(huì)分裂成兩個(gè)低能量(紅外線)糾纏光子。

某些應(yīng)用需要這些光子之間存在特定類型的量子相關(guān)性，因此對(duì)它們進(jìn)行精確控制至關(guān)重要。這種控制可以通過(guò)調(diào)整泵浦激光器的特性，特別是其空間形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了探索這種可能性，索邦大學(xué)巴黎納米科學(xué)研究所的研究人員提出了一種方法，可以將糾纏光子的空間相關(guān)性結(jié)構(gòu)化為給定物體的形狀。

實(shí)驗(yàn)包括將待編碼的物體放置在位于晶體之前的透鏡的物平面上，然后使用第二個(gè)透鏡將其成像到相機(jī)上(圖 1a)。

在沒(méi)有晶體的情況下，這個(gè)裝置是一個(gè)傳統(tǒng)的雙透鏡成像系統(tǒng)： 我們期望在攝像機(jī)上觀察到物體的強(qiáng)度(倒置)圖像。然而，在晶體存在的情況下，SPDC 會(huì)產(chǎn)生紅外線糾纏光子對(duì)。

如果用光譜濾波器只選擇這些光子對(duì)，那么在許多光子累積之后，相機(jī)上獲得的光強(qiáng)看起來(lái)是均勻的，無(wú)法顯示物體的任何信息(圖 1b)。只有根據(jù)糾纏光子對(duì)之間的空間相關(guān)性重建物體圖像(圖 1c)，物體圖像才會(huì)重現(xiàn)，這涉及檢測(cè)每個(gè)光子相對(duì)于其糾纏孿生光子的位置。

要重建這樣的圖像，需要一臺(tái)單光子敏感相機(jī)和專門設(shè)計(jì)的算法，以識(shí)別每次采集中的光子重合點(diǎn)，并提取它們的空間相關(guān)性。

這樣，最初由藍(lán)色激光束傳遞的物體圖像就轉(zhuǎn)移到了光子對(duì)的空間相關(guān)性中。

該研究的第一作者、博士生Chloé Vernière解釋說(shuō)：“如果我們用通常的方法觀察光束，一個(gè)一個(gè)地計(jì)算光子以形成圖像，我們會(huì)覺(jué)得沒(méi)有任何信息。但如果我們把注意力集中在光子的同時(shí)到達(dá)上，并分析它們的空間分布，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一種模式。”

Chloé的論文導(dǎo)師、本研究的最后一位作者Hugo Defienne補(bǔ)充說(shuō)：“我們實(shí)際上是在利用光的一個(gè)未充分開(kāi)發(fā)的自由度--即光子之間的空間相關(guān)性--作為我們打印圖像的畫布。我們現(xiàn)在希望利用這種成像支持來(lái)開(kāi)發(fā)密碼學(xué)系統(tǒng)或散射介質(zhì)成像。”

由于其靈活性和實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便性，這種方法可以開(kāi)發(fā)新的成像協(xié)議，并在量子通信和密碼學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

通過(guò)研究晶體的特性，甚至有可能在一束光子對(duì)中編碼多幅圖像。這些圖像可以通過(guò)將照相機(jī)移動(dòng)到不同的光學(xué)平面來(lái)顯示，從而可以編碼更多的信息。

審核編輯 黃宇