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量子成像

发布时间:2013-11-22 13:54:34 点击浏览:

  量子成像是利用量子纠缠现象发展起来的一种新的成像技术。与经典光学成像只能在同一光路得到该物体的像不同,量子成像可以在另一条并未放置物体的光路上再现该物体的空间分布信息。将纠缠光子对的双光子分别输入两个不同的线性光学系统中,在其中一个光学系统(取样系统)放置待成像的物体,通过双光子关联测量,在另一个光学系统(参考系统)中再现物体的空间分布信息。这种现象称为关联成像,也叫做鬼成像或符合成像。其所表现出来的奇特性质已经成为近年来量子光学领域研究前沿的热点问题之一。


关联成像示意图

  最初,人们认为量子纠缠是实现关联成像的必要条件,后来这种观点在理论上和实验上都受到了挑战。进一步的研究表明,经典关联也可以模仿量子纠缠的某些性质。随后,采用赝热光源和真热光源的量子成像相继完成。利用高阶关联的热光源的关联成像,为在不同空间位置产生多个成像提供可能性。关联成像还可以为量子擦除、量子全息摄影术和无镜共轭成像等方面奠定实验基础。
    量子成像利用光学成像和量子信息进行并行处理,与经典成像相比,两者获取物体信息的物理机制、理论模型、具体光学系统以及成像效果均不相同。量子成像增加了辐射场空间涨落这一获取目标图像及控制图像质量的新的独立信息通道。对于限制经典成像的光场的量子涨落这一因素,在量子成像中扮演着获取目标图像信息的重要角色。同时,量子成像在成像探测灵敏度、成像系统分辨率、扫描成像速率等方面均可突破经典成像的极限。

  量子成像技术可以使用几乎任何光源——荧光灯泡、激光甚至太阳,从而避免云、雾和烟等使常规成像技术无能为力的气象条件的干扰,获得更为清晰的图像。目前,红外探测技术已被广泛应用于军事、医疗、救援等各个领域,然而经典成像中物像同处同一空间成为制约高分辨率红外图像获得的因素之一。量子成像技术可以很轻松的解决此类难题。例如,用一束红外激光对目标对象进行测量,通过使用灵敏的红外点探测器记录单个光子的到达时间,而另外一个激光束(频率成像最优波段)用电子照相机来生成高分辨率的图像。早在2009年,美国陆军研究实验所的量子物理学家罗恩•迈耶斯,在实验室中完成量子成像实验后认为,“若干年后,会出现这样的情景:一名军人使用一台量子成像机,透过战场上的硝烟,辨清敌友,实现精准打击”。如果将量子成像技术应用于空间遥感领域,将大大降低空间平台上成像系统的复杂性,特别适合于微小卫星遥感应用。在医学领域和搜救行动中,经典光学成像只能利用相干X射线才能完成,但量子成像可以采用非相干X射线源,实现纳米级分辨率的衍射成像。量子成像有着广阔的应用前景,将在红外成像、军事侦察、航空探测等领域发挥重要的作用。

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