幽灵成像简史

量子和经典幽灵成像

幽灵成像是最早使用量子光的成像技术之一，自 20 世纪 90 年代中期问世以来一直吸引着研究人员的目光。1995 年，皮特曼等人利用自发参量下变频（SPDC）产生的量子光首次展示了鬼影成像的概念，SPDC 是一种非线性光学过程，可将一个泵浦光子转换成两个能量较低的纠缠光子。

在这个实验中（图 1a），空间纠缠光子被分离，其中一个光子穿过一个物体，并被一个没有空间分辨率的水桶探测器收集，而闲置光子则被发送到一个多像素摄像头。通过测量水桶探测器和照相机之间的重合事件，可以重建物体，尽管照相机检测到的光子并没有直接与物体发生相互作用！这种非局部特性导致了 “幽灵成像 ”一词的出现。

图 1 - 鬼影成像的三种实现方式：(a) 利用 SPDC 产生的空间纠缠光子对进行量子鬼影成像。(b) 利用激光和旋转扩散器产生的伪热光进行经典鬼影成像。(c) 利用单个探测器和计算场模式的计算鬼影成像。DM -二向色镜，BS -分光镜，SLM-空间光调制器，iccd-强化电荷耦合器件（相机）。

这种技术的关键在于两个光子的空间相关性：被物体遮挡的区域无法到达桶式探测器，因此相机中的相应像素不会发生巧合事件。但我们必须记住：相关性并不一定意味着纠缠！量子纠缠在这项技术中是否起着关键作用？这是一场持续了数年的争论的主题。

纠缠是鬼影成像的固有特性。然而，2002年，Bennik等人利用随机偏转不同角度的两束经典相关光束演示了鬼影成像。还有人利用旋转扩散器探索了类似的经典相关性，产生了相关的伪热光（图 1b）。

计算幽灵成像

这场争论的一个重要成果就是沙皮罗提出并由布罗姆伯格等人演示的计算鬼影成像法。在这种方法中，只使用了一个探测器，而高分辨率照相机则被使用空间光调制器形成的传播场计算所取代（图 1c）。这里的关键在于，我们对传播到相机的光子了如指掌，因此我们可以利用这些知识进行计算，从而摆脱物理相机的束缚。通过将斗形探测器测量到的强度与计算出的物体平面上的场相关联，即可获得物体图像。

虽然这种计算方法已经简化了实验装置，但研究人员很快意识到，利用现代图像处理技术，尤其是利用图像结构的先验知识，可以大大减少测量次数。值得注意的是，对于大多数成像任务来说，这类信息都是存在的：自然图像是稀疏的，也就是说，在适当的基础上表示时，它们包含许多接近或等于零的系数。自然图像的这一特性正是 JPEG 等现代有损图像压缩算法的核心。压缩传感领域利用这种稀疏性/可压缩性来减少忠实图像复原所需的测量次数。利用这种技术可将忠实重建所需的测量次数减少一个数量级。

现状和未来方向

计算鬼影成像仅使用单个探测器这一事实提供了实验证据，证明伪热鬼影成像本质上并不依赖于非局部量子相关性。现在人们还认识到，量子方法和经典方法产生的图像分辨率相似。利用量子光进行鬼影成像的主要优势在于低光照度，在低光照度下，量子模式表现出更高的可见度和信噪比。这在对高光照度敏感的样品成像时尤为重要。

自首次展示以来，鬼影成像的许多扩展、应用和模式仍在探索之中，至今已近 30 年。您是否对量子光的鬼影成像感兴趣？或者想探索量子纠缠的其他应用案例？欢迎了解我们用于产生纠缠光子的 PPKTP 晶体和 BBO 晶体。