應(yīng)用探究|超越鬼成像（一）：基于PPKTP實現(xiàn)跨波段“無探測”量子成像

2025年無疑是量子的盛會，不僅被聯(lián)合國大會和聯(lián)合國教科文組織正式定為“國際量子科學(xué)與技術(shù)年”（IYQ），今年的諾貝爾物理學(xué)獎也花落量子物理領(lǐng)域。當(dāng)我們談到量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)中的區(qū)別，量子糾纏無疑是其中zui具神秘色彩的之一，光子之間的超距作用即使是愛因斯坦也為之困惑。在量子糾纏中，粒子系統(tǒng)的整體狀態(tài)是明確的，但每個粒子沒有獨立的確定狀態(tài)。系統(tǒng)處于疊加態(tài)中，測量結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)是確定的，而單個粒子的測量結(jié)果無法提前預(yù)測。在我們以前的文章中，我們分享了很多量子糾纏應(yīng)用于量子通信，而量子成像中，糾纏光子對同樣嶄露頭角，引發(fā)一場成像革命。

經(jīng)典成像&量子成像

在經(jīng)典成像中，通過經(jīng)典光源直接照射對象并測量光強的分布來成像。而在量子成像中，則以非經(jīng)典光源，通過符合測量技術(shù)等量子成像技術(shù)來獲取圖像。例如通過糾纏光子對實現(xiàn)關(guān)聯(lián)成像（如右圖所示），或者使用壓縮光構(gòu)建極低噪聲的量子增強顯微鏡。

典型的經(jīng)典成像與量子成像的比較

在這里我們簡單介紹兩種基于量子關(guān)聯(lián)成像的技術(shù)，關(guān)鍵在于穩(wěn)定、高效地產(chǎn)生糾纏光子對。目前，通過周期性極化晶體（例如ppln、PPKTP）的非線性過程是主流方案，特別是自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）。通過將泵浦激光照射到晶體上，由參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生糾纏光子對，而不同的相位匹配方式，可以獲得不同偏振、走離角、波長等特性的糾纏光子對，滿足不同的應(yīng)用需求。

量子鬼成像QGI

鬼成像是大名鼎鼎的相關(guān)成像的一種，分為經(jīng)典鬼成像GI和量子鬼成像QGI。雖然都能夠借助關(guān)聯(lián)性，實現(xiàn)“離物成像”，但借助糾纏光子對的量子鬼成像，具有更強的關(guān)聯(lián)性，能夠?qū)崿F(xiàn)更快成像、更高抗干擾能力，可突破傳統(tǒng)分辨率極限。照明光路通過非線性晶體SPDC作用分為信號光和閑頻光，其中一路接觸物體后（通常是信號光），被低分辨率桶探測器（Bucket detector）采集；另一路不接觸物體（通常是閑頻光），直接由高空間分辨率探測器Iccd相機采集。當(dāng)信號光子和閑頻光子在同一時間窗口內(nèi)被采集到時，記錄為符合計數(shù)，并保存閑頻光子的空間位置信息。通過對這兩路的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)計算，即可重構(gòu)成像。使用無需空間分辨能力的桶探測器可以大幅度降低探測器成本，而另一路上，由于糾纏光子對的強關(guān)聯(lián)性，即使信號光受到環(huán)境噪聲（如散射或吸收）干擾，閑頻光子的空間信息仍可通過符合計數(shù)重建高質(zhì)量圖像，從而實現(xiàn)鬼成像極高的抗干擾性。

未探測光子的量子成像QIUP

未探測光子的量子成像QIUP是在鬼成像基礎(chǔ)上的衍生的一種量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)，同樣借助SPDC產(chǎn)生的量子糾纏對來實現(xiàn)關(guān)聯(lián)“離物成像”。但QIUP的核心特點在于成像過程中和物體交互的光子將完全不被探測，而探測另一束未與物體交互的光子，并借助量子干涉來進行成像。典型的裝置會涉及到兩個非線性晶體作為產(chǎn)生糾纏光子對的核心元件，其選擇與光路設(shè)計，直接決定了QIUP系統(tǒng)的性能與特點。本文將首先解析基于PPKTP晶體構(gòu)建的典型QIUP系統(tǒng)，因PPKTP高轉(zhuǎn)換效率與對泵浦功率的良好耐受性，保證了該成像系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

在“quantum imaging with Undetected Photons.”這篇量子成像與未探測光子領(lǐng)域的開創(chuàng)性文獻中，明確指出使用的是Type-0相位匹配的PPKTP晶體，極化周期為9.675μm，由532 nm泵浦光SPDC產(chǎn)生 810 nm和1550 nm的非簡并、共線糾纏光子對。期間晶體的溫度由溫控精確調(diào)控，以滿足相位匹配條件。下面讓我們來看一下QIUP的基本原理。

泵浦激光通過分束器PBS分束后，其中一束泵浦光（透射）經(jīng)過NL1 PPKTP，發(fā)生非簡并SPDC，產(chǎn)生信號光與閑頻光。帶有來自物體O的振幅和相位信息的閑頻光在二向色鏡D2處反射，與從PBS反射的另一束泵浦光共線對齊，該泵浦光隨后與NL2 PPKTP相互作用，使NL2產(chǎn)生的閑頻光與來自NL1的閑頻光在空間模式上完全對齊，這使下轉(zhuǎn)換源變得不可知。由于兩個閑頻光路徑的不可區(qū)分性，讓系統(tǒng)無法判斷參與干涉的糾纏光子對究竟是來自第1塊PPKTP晶體還是第二塊，使得兩個信號光在分束器BS處能夠發(fā)生量子干涉，信號光在BS處的干涉揭示了物體O的閑頻光傳輸特性。在這個過程中，和物體相互作用的NL1閑頻光始終未被被直接探測。

*注，圖中以及文字中的顏色僅方便識別，并非代表激光波長。

通過以上光路，把1550nm光束照射的物體信息完整的傳遞到810nm干涉條紋中。這將在zui終硅基相機emccd的探測中排除熱噪聲的影響，提高了靈敏度與信噪比。相比于量子鬼成像，QIUP無需依賴于雙光子符合計數(shù)，僅通過單光子計數(shù)即可，提高了成像速度。此外光源與探測的波長允許靈活調(diào)諧，擴展了成像的應(yīng)用范圍。

強度&相位成像

憑借量子干涉對于路徑不可區(qū)分性的敏感，任何路徑差異都會直接調(diào)制可見度或者相位，因此QIUP又可以實現(xiàn)強度成像以及相位成像。

強度成像：依賴于物體對光子的吸收或阻擋。那些物體阻擋了閑頻光的區(qū)域，破壞了干涉條件，因此不會產(chǎn)生干涉條紋。干涉條紋的可見度直接反映了物體的透射率分布。

相位成像：依賴于物體對光子的相位調(diào)制。適用于那些透明物體，并且具有折射率或者厚度變化。閑頻光穿過這些物體時會引入相位延遲，該相位變化通過量子干涉?zhèn)鬟f給信號光子。

本文中借助PPKTP產(chǎn)生糾纏光子對的量子鬼成像QIUP方案，實現(xiàn)跨波段、未探測光子成像。它使得該成像系統(tǒng)在紅外光譜、生物醫(yī)學(xué)檢測和材料分析等領(lǐng)域，展現(xiàn)出突破傳統(tǒng)成像限制的巨大應(yīng)用潛力。在下一篇中，我們將看到，以類似的QIUP原理，如何通過采用Covesion PPLN晶體并創(chuàng)新性地設(shè)計‘單晶體折返光路’，在保持核心成像能力的同時，實現(xiàn)了系統(tǒng)集成度上的重要突破。

英國Covesion有限公司是一家擁有超過20年經(jīng)驗的公司，提供300nm~5000nm全波段波長轉(zhuǎn)換產(chǎn)品解決方案，專注于高效 MgO:PPLN / PPKTP 晶體與波導(dǎo)的研究、開發(fā)和制造。此外，Covesion還提供定制晶體服務(wù)，包括整個周期結(jié)構(gòu)設(shè)計、掩膜設(shè)計、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿足特定波長轉(zhuǎn)換需求。

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參考文獻

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Lemos, Gabriela Barreto, et al. "Quantum imaging with undetected photons." Nature 512.7515 (2014): 409-412.

Pearce, Emma, et al. "Practical quantum imaging with undetected photons." Optics Continuum 2.11 (2023): 2386-2397.

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