實驗結(jié)果：a.實驗裝置。b.相機上的強度圖像和c.相關(guān)圖像。

索邦大學(xué)巴黎納米科學(xué)研究所的研究人員開發(fā)出一種新方法，可將圖像編碼到光子對的量子相關(guān)性中，使其成為傳統(tǒng)成像技術(shù)所無法看到的。這項研究發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)雜志上。

糾纏光子在包括量子計算和密碼學(xué)在內(nèi)的各種量子光子學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這些光子可以通過非線性晶體中一種叫做自發(fā)參量下變頻(SPDC)的過程產(chǎn)生。在 SPDC 過程中，來自高能量(藍(lán)色)泵浦激光器的單光子會分裂成兩個低能量(紅外線)糾纏光子。

某些應(yīng)用需要這些光子之間存在特定類型的量子相關(guān)性，因此對它們進(jìn)行精確控制至關(guān)重要。這種控制可以通過調(diào)整泵浦激光器的特性，特別是其空間形狀來實現(xiàn)。為了探索這種可能性，索邦大學(xué)巴黎納米科學(xué)研究所的研究人員提出了一種方法，可以將糾纏光子的空間相關(guān)性結(jié)構(gòu)化為給定物體的形狀。

實驗包括將待編碼的物體放置在位于晶體之前的透鏡的物平面上，然后使用第二個透鏡將其成像到相機上(圖 1a)。

在沒有晶體的情況下，這個裝置是一個傳統(tǒng)的雙透鏡成像系統(tǒng)： 我們期望在攝像機上觀察到物體的強度(倒置)圖像。然而，在晶體存在的情況下，SPDC 會產(chǎn)生紅外線糾纏光子對。

如果用光譜濾波器只選擇這些光子對，那么在許多光子累積之后，相機上獲得的光強看起來是均勻的，無法顯示物體的任何信息(圖 1b)。只有根據(jù)糾纏光子對之間的空間相關(guān)性重建物體圖像(圖 1c)，物體圖像才會重現(xiàn)，這涉及檢測每個光子相對于其糾纏孿生光子的位置。

要重建這樣的圖像，需要一臺單光子敏感相機和專門設(shè)計的算法，以識別每次采集中的光子重合點，并提取它們的空間相關(guān)性。

這樣，最初由藍(lán)色激光束傳遞的物體圖像就轉(zhuǎn)移到了光子對的空間相關(guān)性中。

該研究的第一作者、博士生Chloé Vernière解釋說：“如果我們用通常的方法觀察光束，一個一個地計算光子以形成圖像，我們會覺得沒有任何信息。但如果我們把注意力集中在光子的同時到達(dá)上，并分析它們的空間分布，就會發(fā)現(xiàn)一種模式。”

Chloé的論文導(dǎo)師、本研究的最后一位作者Hugo Defienne補充說：“我們實際上是在利用光的一個未充分開發(fā)的自由度--即光子之間的空間相關(guān)性--作為我們打印圖像的畫布。我們現(xiàn)在希望利用這種成像支持來開發(fā)密碼學(xué)系統(tǒng)或散射介質(zhì)成像。”

由于其靈活性和實驗簡便性，這種方法可以開發(fā)新的成像協(xié)議，并在量子通信和密碼學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

通過研究晶體的特性，甚至有可能在一束光子對中編碼多幅圖像。這些圖像可以通過將照相機移動到不同的光學(xué)平面來顯示，從而可以編碼更多的信息。

審核編輯 黃宇