糾纏光子對實現隱藏圖像編碼

索邦大學巴黎納米科學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性中，使其成為傳統成像技術所無法看到的。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在內的各種量子光子學應用中發(fā)揮著至關重要的作用。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）的過程產生。在 SPDC 過程中，來自高能量（藍色）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。

某些應用需要這些光子之間存在特定類型的量子相關性，因此對它們進行精確控制至關重要。這種控制可以通過調整泵浦激光器的特性，特別是其空間形狀來實現。為了探索這種可能性，索邦大學巴黎納米科學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性結構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）。

圖片:搜狗截圖20240906155603.png

實驗結果：a.實驗裝置。b.相機上的強度圖像和c.相關圖像。

在沒有晶體的情況下，這個裝置是一個傳統的雙透鏡成像系統： 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）。只有根據糾纏光子對之間的空間相關性重建物體圖像（圖 1c），物體圖像才會重現，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性。

這樣，最初由藍色激光束傳遞的物體圖像就轉移到了光子對的空間相關性中。

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上，并分析它們的空間分布，就會發(fā)現一種模式�！�

Chloé的論文導師、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性--作為我們打印圖像的畫布。我們現在希望利用這種成像支持來開發(fā)密碼學系統或散射介質成像。”

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

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平面來顯示，從而可以編碼更多的信息。

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論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.093601