研究人员首次展示了一种在量子纠缠光子对中编码图像信息的方法，这种编码方式使得图像信息通过传统的强度测量是无法被探测到的。他们通过调控自发参量下转换（SPDC）过程中的光子对相关性，将图像信息编码在光子对的空间相关性中，实现了这一创新的编码方式。该研究成果的核心思想是利用SPDC过程中泵浦光束的空间相干性完全转移到下转换场的特性。通过将给定物体的傅里叶谱投影到一个薄的非线性晶体上，晶体平面产生的下转换场具有与物体的傅里叶变换相同的横向空间形状。在晶体之后，这个场作为一个空间不相关场传播，导致在远场的强度保持平坦和恒定。然而，通过测量二阶相干性，可以发现相关函数G(2)(r−; r+)与物体的傅里叶变换有关。通过相关函数G(2)，可以得到与物体的幅度平方成正比的相关图像。实验中，使用了一个蓝色的连续波激光束（405nm）照射物体，该物体被傅里叶成像到一个1mm厚的β-钡硼酸盐（BBO）晶体上。通过I型SPDC产生了810nm的简并空间纠缠光子对。在晶体输出端，晶体平面被傅里叶成像到一个电子倍增相机（EMCCD）上，并通过f1和f2进一步放大，使得光子动量与像素位置相匹配。EMCCD相机用于执行光子对的强度和相关性测量，从而计算光子对的I和G(2)。研究结果展示了使用不同焦距的透镜对空间分辨率和信噪比（SNR）的影响。减小透镜的焦距会降低系统的分辨率，但会提高SNR，这表明在图像像素分辨率和其SNR之间存在权衡。![]()
图1. 在光子关联中编码图像。（a）简化的实验方案。（b）传统的输出强度图像I(x, y)。（c）二阶空间 “关联图像”。
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图2.（a）实验装置图；（b）区域放大图。
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图3. 使用振幅和相位物体的结果。（a），（b）使用睡眠猫形状的掩模板作为物体获得的相关图像。（c）相关图像揭示了相位移位过程后虚拟点状物体的振幅形状。（d）、（e）为相位物体的结果。
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图4. 距离独立性实验结果。
Vernière, C. & Defienne, H. Hiding Images in Quantum Correlations.
Phys. Rev. Lett. 133, 093601 (2024).
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