实现从光源中提取隐藏的量子信息,量子物理学的发展厉害了!

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  当前超分辨率显微镜或微阵列激光扫描技术以其高灵敏度和非常好的分辨率而闻名。虽然实现了高光功率来研究样品,这些样品可能是光敏的,因此当被这些设备照明时会受到损坏或干扰。如今,使用量子光成像技术的重要性日益增加,因为它们在分辨率和灵敏度方面的能力可以超越经典限制,此外,量子光成像技术不会损坏样品。因为量子光是以单光子发射的,并且它利用纠缠性质来达到较低的光强度范围。

  

  现在,尽管量子光和量子探测器的使用在过去几年中得到了稳步发展,但仍然有一些问题需要解决。量子探测器本身对经典噪声很敏感,噪声最终可能非常显著,以至于它可以减少甚至抵消所获得图像任何类型的量子优势。因此,一年前启动的欧洲Q-MIC项目汇集了一支由具有不同专业知识的研究人员组成国际团队,他们聚集在一起开发和实施量子成像技术,以创造一种能够超越当前显微镜技术能力的量子增强型显微镜。

  在发表在《科学进展》期刊上的一项研究中,格拉斯哥大学的研究人员Hugo Defienne和Daniele Faccio以及Q-MIC项目的合作伙伴报告了一种新技术,该技术使用图像蒸馏从包含量子和经典信息的照明源提取量子信息。

  

  在在实验中,研究人员使用两个来源创建了一个“死”和“活”猫的组合最终图像。使用由激光触发的量子源来产生纠缠光子对,光子对照亮晶体并通过滤光片产生“死猫”的红外图像(800 Nm),或可称为“量子猫”,同时,他们使用带有LED的经典光源来产生“活猫”图像。然后,通过光学设置,将两幅图像叠加,并将组合后的图像发送到称为电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)的特殊CCD相机。

  

  通过这种装置能够观察到,理论上,两个光源具有相同的光谱、平均强度和偏振,使得它们无法与单独的强度测量区分开来。但是,虽然来自相干经典源(LED光)的光子是不相关的,但是来自量子源(光子对)的光子在位置上是相关的。通过使用一种算法,研究人员能够在适当的位置使用这些光子相关性来分离条件图像。其中两个光子到达相机上的相邻像素,并单独检索“量子照明”图像。

  

  因此,在从直接的总强度图像中减去量子图像后,也可以恢复经典的“活猫”图像。这种方法的另一个令人惊讶问题是,研究人员也能够提取可靠的量子信息,即使在经典照明高出十倍的情况下也是如此。研究表明,即使在高经典照明降低图像质量的情况下,仍然能够获得量子图像形状的清晰图像。这项技术为旨在观察超敏感样品的量子成像和量子增强显微镜开辟了一条新途径。

  

  图像是通过在相机上积累光而获得,利用这项技术,研究人员能够分离“死猫”的量子图像,然后将该图像减去总图像,以获得“活猫”的经典图像。图片:University of Glasgow/H. Defienne

  此外,这项研究的结果表明,这项技术可能是量子通信的重要技术。混合和提取量子光和经典光携带特定信息的能力可用于加密技术和编码信息。特别地,当使用常规检测器时,它可以用于隐藏或加密信号中的信息。这种方法带来了科学家能够对图像中的信息进行编码和解码方式的改变,研究人员也希望这将在从显微镜到隐蔽激光雷达等领域找到应用。

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