具有超薄非線性超表面的新型量子成像概念

科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在量子成像領(lǐng)域開辟了新前沿，他們利用納米級超表面生成具有無與倫比分辨率和可調(diào)諧性的糾纏光子對。這一突破消除了機(jī)械掃描的需求，使得超快速、緊湊的量子成像系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。其應(yīng)用范圍從激光雷達(dá)到安全通信，將我們更接近現(xiàn)實(shí)世界的量子應(yīng)用。

超表面技術(shù)革新量子成像

澳大利亞國立大學(xué)(ANU)和墨爾本大學(xué)(UoM)的ARC變革性超光學(xué)系統(tǒng)卓越中心(TMOS)的科學(xué)家們開發(fā)了一種突破性的量子成像技術(shù)。他們的方法利用超薄非線性超表面生成空間糾纏光子對，通過結(jié)合鬼成像和全光學(xué)掃描實(shí)現(xiàn)高分辨率圖像重建。這一突破標(biāo)志著量子光學(xué)和成像技術(shù)的重大進(jìn)步。

該研究發(fā)表在《eLight》上，解決了傳統(tǒng)量子成像的關(guān)鍵限制。傳統(tǒng)系統(tǒng)依賴笨重的非線性晶體，存在尺寸受限、發(fā)射角度狹窄和視野有限等問題，難以應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)場景。為克服這些挑戰(zhàn)，TMOS團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種集成薄鈮酸鋰膜的納米級二氧化硅超光柵。這種緊湊結(jié)構(gòu)能高效生成糾纏光子對，同時(shí)為量子成像提供了高度可調(diào)諧和可擴(kuò)展的平臺。

無需機(jī)械部件的創(chuàng)新光學(xué)掃描

研究的共同第一作者、TMOS博士研究生Jinliang Ren表示：“這項(xiàng)研究的關(guān)鍵創(chuàng)新在于能夠通過簡單地調(diào)節(jié)泵浦光束的波長來全光學(xué)地操控光子發(fā)射角度。這一獨(dú)特特性消除了機(jī)械掃描的需求，實(shí)現(xiàn)了一維無縫且精確的光學(xué)掃描，同時(shí)在另一維度保持廣泛的反相關(guān)光子發(fā)射。”

利用這些特性，研究人員成功將光學(xué)掃描與鬼成像結(jié)合，重建了二維物體。該方法在閑置路徑中使用簡單的一維探測器陣列，在信號路徑中使用桶探測器，大幅降低了硬件需求。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與卓越性能

研究人員通過重建紅外波長下的二維物體圖像，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法，并預(yù)測分辨率和視野將顯著提升。他們發(fā)現(xiàn)，基于超表面的成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的分辨單元數(shù)量可超過傳統(tǒng)量子鬼成像系統(tǒng)四個(gè)數(shù)量級以上。這一卓越性能源于其不受傳統(tǒng)塊狀晶體中縱向相位匹配限制的影響。

超表面：量子成像的未來?

研究負(fù)責(zé)人Jinyong Ma博士強(qiáng)調(diào)了這一創(chuàng)新的潛在影響：“我們的工作展示了基于超表面的量子成像系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的首次實(shí)際潛力。其緊湊的設(shè)計(jì)和可調(diào)諧性使其成為自由空間應(yīng)用的理想選擇，尤其是在尺寸、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性至關(guān)重要的場景中。這項(xiàng)技術(shù)能夠集成到現(xiàn)代光子學(xué)系統(tǒng)中，為自由空間量子通信、目標(biāo)跟蹤和傳感應(yīng)用的進(jìn)步鋪平道路?！贝送?，無需機(jī)械部件的光學(xué)掃描實(shí)現(xiàn)了超快速成像，這對于量子激光雷達(dá)和目標(biāo)跟蹤等動態(tài)成像場景至關(guān)重要。

展望未來：提升光子對生成效率

研究人員正在探索進(jìn)一步提高超表面光子對生成效率的方法。共同作者、前TMOS研究員、現(xiàn)任松山湖材料實(shí)驗(yàn)室的Jihua Zhang博士表示：“我們正在研究具有更高非線性系數(shù)的新材料，并優(yōu)化超表面設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)泵浦、信號和閑置波長的三重共振，這可能會使光子對生成速率達(dá)到或超過傳統(tǒng)塊狀系統(tǒng)的水平。這一發(fā)展將顯著提高基于超表面的量子成像系統(tǒng)的速度、靈敏度和信噪比，使其更接近廣泛應(yīng)用?！?/p>

超越成像：擴(kuò)展量子技術(shù)的范圍

研究小組負(fù)責(zé)人Andrey Sukhorukov教授表示：“這項(xiàng)工作的意義不僅限于成像。依賴糾纏光子對的量子技術(shù)，如安全通信網(wǎng)絡(luò)、量子激光雷達(dá)和先進(jìn)傳感系統(tǒng)，都可以受益于非線性超表面實(shí)現(xiàn)的緊湊、高效光子對源。結(jié)合光學(xué)可調(diào)諧性、納米級集成和高分辨率成像，為廣泛的量子應(yīng)用提供了一個(gè)多功能平臺?！?/p>

量子光學(xué)的新時(shí)代

這項(xiàng)研究標(biāo)志著量子光學(xué)的重大里程碑，并凸顯了基于超表面技術(shù)的變革潛力。通過用可擴(kuò)展的超薄結(jié)構(gòu)取代笨重且剛性的光學(xué)元件，TMOS團(tuán)隊(duì)為新一代量子成像和傳感設(shè)備奠定了基礎(chǔ)，這些設(shè)備比以往更加緊湊、高效且適應(yīng)性強(qiáng)。

審核編輯 黃宇