具有未检测到光子的无交互单像素量子成像

为了捕捉物体的图像，摄影师通常需要光源相互作用并从感兴趣的物体散射开，以及检测从该物体散射开的光的方法，以及具有空间分辨率的检测器。然而，由于缺乏可能在相互作用过程中损坏标本的光子缺乏检测能力，摄影的这些成分在生物/敏感标本成像中受到限制。

在npjQuantumInformation发表的一份新报告中，YiquanYang和中国物理学和固态微结构研究团队提出并通过实验实现了一种减轻所有三个要求的量子成像协议。他们通过利用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来实现这一目标。这项工作展示了具有未检测到光子的结构化物体的无相互作用的单像素量子成像。

该研究将量子成像的边界推向了物体和光子之间不需要相互作用的程度，从而为在硅检测波长下使用单像素成像表征精细样品铺平了道路。

新的量子成像协议

近几十年来，量子物理学家开发了几种基于量子技术的成像协议，扩展了光学成像的应用。示例包括鬼成像、未检测到光子的量子成像和无相互作用测量。例如，在量子重影成像期间，研究人员必须关联纠缠光子对以进行双光子重合测量。这可以通过经典的强度波动相关性来实现。

与现代数码摄影相比，单像素成像使用一系列掩模来询问场景以及单像素检测器的相关强度测量。在这项工作中，Yang及其同事试图开发和演示一种量子成像协议，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)和诱导相干干涉仪来实现这一目标。这些首次研究成果突出了量子成像能力，其中照明光子和检测到的光子不与物体相互作用。因此，这种新颖的成像协议可以表征脆弱或光子敏感系统，包括生物组织和原子集合体的量子态。科学家们使用经济、低噪声和高效的单光子探测器进行长波长、无相互作用的成像。

实验方法

杨和他的同事们开发了一个包含三个主要部分的实验装置，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。他们使用铌酸锂晶体作为非线性晶体，并包括各种二向色镜来分离和组合频率非退化光子。整个实验装置使诱导相干促进了量子干涉仪的形成。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。

由于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，因此不太可能与物体相互作用.科学家们通过用空间分辨掩模询问图像来重建多像素图像，从而用单像素成像模块中的信号光子完成单像素成像，以同时记录强度并将强度与单像素检测器相关联。该团队在数学上将图像描述为I=PT，其中I代表像素化图像，而P是一组掩模，T是相应掩模组的相关光子计数的集合。

量子传感

在实验的第一步中，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。在没有对象的情况下，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，信号干扰的可见性预计为零。在实践中，研究人员使用感应相干干扰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不存在。

量子成像

该团队随后实现了与未检测到的光子的无相互作用成像。为实现这一目标，他们使用增强型CCD相机以南京大学3D打印标志的形式对部分结构化物体进行成像。在这种情况下，徽标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对象的不存在/存在以及不同的干扰可见性。科学家们使用本文介绍的方法在CCD相机上使用未检测到的光子进行无交互成像，最终获得3D打印的NJU徽标的重建图像。

通过这种方式，YiquanYang及其同事以与典型数字成像完全不同的方式展示了具有未检测到光子的无相互作用、单像素量子成像。科学家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感兴趣物体的图像，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典型的成像过程。

这种方法将有利于生命科学家和物理学家探测和成像敏感的生物标本和纳米材料。该团队设想这一成果将激发跨学科领域更广泛的研究兴趣。