從光源中提取隱藏的量子信息

當(dāng)前的超分辨率顯微鏡或微陣列激光掃描技術(shù)以其高靈敏度和非常好的分辨率而聞名。但是，它們實現(xiàn)了高光功率來研究樣品，這些樣品可能是光敏感的，因此在被這些設(shè)備照亮?xí)r會受到損壞或干擾。

如今，采用量子光的成像技術(shù)越來越重要，因為它們在分辨率和靈敏度方面的能力可以超越傳統(tǒng)的局限性，此外，它們不會損壞樣品。這是可能的，因為量子光是在單個光子中發(fā)射的，并且它利用纏結(jié)的特性來達(dá)到較低的光強(qiáng)度狀態(tài)。

現(xiàn)在，盡管近年來量子光和量子檢測器的使用一直在穩(wěn)步發(fā)展，但仍有一些問題需要解決。量子檢測器本身對經(jīng)典噪聲敏感，噪聲最終可能會變得非常重要，以至于可以降低甚至抵消所獲得圖像的任何種類的量子優(yōu)勢。

因此，一年前啟動的歐洲項目Q-MIC聚集了一支由不同專業(yè)知識的國際研究人員組成的團(tuán)隊，他們共同開發(fā)和實施了量子成像技術(shù)，以創(chuàng)建一種量子增強(qiáng)顯微鏡，該顯微鏡將超越目前的能力。顯微鏡技術(shù)。

在最近發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的一項研究中，來自格拉斯哥大學(xué)的研究人員Hugo Defienne和Daniele Faccio及其Q-MIC項目的合作伙伴報告了一種新技術(shù)，該技術(shù)使用圖像蒸餾從包含以下內(nèi)容的照明源中提取量子信息：量子和經(jīng)典信息。

在他們的實驗中，研究人員使用兩個來源創(chuàng)建了“死貓”和“活貓” 的組合最終圖像。他們使用了由激光觸發(fā)的量子源，以產(chǎn)生糾纏的光子對，這些光子對晶體進(jìn)行照射并通過濾鏡，以產(chǎn)生“死貓”或他們稱為“量子貓”的紅外圖像(800納米)。 ”。同時，他們使用帶有LED的經(jīng)典光源來產(chǎn)生“活貓”的圖像。然后，通過光學(xué)設(shè)置，他們將兩個圖像疊加在一起，然后將合并的圖像發(fā)送到稱為電子倍增電荷耦合器件(EMCCD)的特殊CCD相機(jī)。

通過這種設(shè)置，他們能夠觀察到，原則上，兩種光源都具有相同的光譜，平均強(qiáng)度和偏振，從而使它們與單獨(dú)的強(qiáng)度測量無法區(qū)分。但是，雖然來自相干經(jīng)典光源(LED光)的光子是不相關(guān)的，但是來自量子源(光子對)的光子在位置上卻是相關(guān)的。

通過使用一種算法，他們能夠在位置上使用這些光子相關(guān)性來隔離條件圖像，其中兩個光子到達(dá)相機(jī)上的相鄰像素，并單獨(dú)獲取“量子照明”圖像。因此，從直接總強(qiáng)度圖像中減去量子圖像后，還可以檢索到經(jīng)典的“活貓”圖像。

這種方法的另一個令人驚訝的問題是，即使經(jīng)典照明要高十倍，研究人員也能夠提取可靠的量子信息。他們表明，即使當(dāng)經(jīng)典的高照度降低了圖像質(zhì)量時，他們?nèi)匀荒軌颢@得具有量子圖像形狀的清晰圖像。

該技術(shù)為旨在觀察超靈敏樣品的量子成像和量子增強(qiáng)顯微鏡開辟了一條新途徑。另外，這項研究的結(jié)果表明，該技術(shù)對于量子通信可能是最重要的?；旌虾吞崛×孔雍徒?jīng)典光所攜帶的特定信息的能力可以用于加密技術(shù)和編碼信息。特別是，當(dāng)使用常規(guī)檢測器時，它可以用于隱藏或加密信號內(nèi)的信息。

正如Daniele Faccio教授所說：“這種方法改變了我們對圖像中的信息進(jìn)行編碼然后解碼的方式，我們希望它將在從顯微鏡到隱蔽激光雷達(dá)的各個領(lǐng)域中找到應(yīng)用。”