无交互单像素量子成像 具有未检测到的光子

为了捕捉物体的图像，摄影师通常需要一个与感兴趣的物体相互作用和散射的光源，以及一种检测从该物体散射的光的方法，以及具有空间分辨率的探测器。然而，摄影的这些成分在生物/敏感标本成像中受到限制，因为缺乏光子饥饿的检测能力，这些检测能力会在相互作用过程中损坏标本。

在npj Quantum Information上发表的一份新报告中，Yiquan Yang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量子成像协议，减轻了所有三个要求。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点。这项工作展示了具有未检测到光子的结构化物体的无交互，单像素量子成像。

这项研究将量子成像的界限推向了一个点，即物体和光子之间不需要相互作用，为在硅检测波长下用单像素成像表征精细样品铺平了一条新途径。

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。示例包括鬼影成像、未检测到光子的量子成像和无相互作用测量。例如，在量子幽灵成像过程中，研究人员必须将纠缠的光子对关联起来，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探测器的相关强度测量值。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点。这些首次研究成果突出了量子成像能力，其中发光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的系统，包括生物组织和原子系综的量子态。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

Yang及其同事开发了一种包含三个主要部分的实验装置，其中包括诱导相干干涉仪，无交互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简并光子。整个实验装置使得量子干涉仪的形成能够在诱导相干性的帮助下形成。在实验过程中，该团队从二向色镜反射的前向自发参数下转换过程中产生了一个空闲光子，并注入到迈克尔逊干涉仪实现的无相互作用测量模块中。

由于单个光子由于其粒子特性而不可分割，并且不能在分束器上分裂，因此返回诱导相干干涉仪的空闲光子不太可能通过无相互作用的测量模块传播，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。该团队在数学上将图像描述为I = P. T.，其中我表示像素化图像，而P是一组掩模，T是相应掩模集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交互测量模块，实现了未检测到的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;这种缺陷使惰性光子能够以低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，研究人员使用诱导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物体，并获得平均计数来表示物体不存在。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交互测量模块中而不与之交互。

量子成像

然后，该团队实现了未检测到的光子的无相互作用成像。为了实现这一目标，他们使用增强的CCD相机以南京大学3D打印徽标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。特征和剩余区域对应于物体的不存在/存在以及不同的干涉可见度。科学家们使用本文介绍的方法在CCD相机上对未检测到的光子进行无交互成像，最终获得3D打印NJU徽标的重建图像。

展望

通过这种方式，Yiquan Yang及其同事以与典型数字成像完全不同的方式展示了未检测到的光子的无交互，单像素量子成像。科学家们利用单光子的波粒二象性对探针光子进行无相互作用成像。在实验过程中，基于诱导相干性，空闲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。照明光子和探针光子没有与物体发生物理相互作用，从而推动量子成像的能力超越了典型的成像过程。

这种方法将使生命科学家和物理学家都受益，以探测和成像敏感的生物标本和纳米材料。该团队设想这一结果将激发跨多学科领域更广泛的研究兴趣。