應用探究|超越鬼成像（一）：基于PPKTP實現跨波段“無探測"量子成像

2025年無疑是量子的盛會，不僅被聯he國大會和聯he國教科文組織正式定為“國際量子科學與技術年"（IYQ），今年的諾貝爾物理學獎也花落量子物理領域。當我們談到量子力學和經典力學中的區別，量子糾纏無疑是其中具神秘色彩的之一，光子之間的超距作用即使是愛因斯坦也為之困惑。在量子糾纏中，粒子系統的整體狀態是明確的，但每個粒子沒有獨立的確定狀態。系統處于疊加態中，測量結果之間的關聯是確定的，而單個粒子的測量結果無法提前預測。在我們以前的文章中，我們分享了很多量子糾纏應用于量子通信，而量子成像中，糾纏光子對同樣嶄露頭角，引發一場成像革命。

經典成像&量子成像

在經典成像中，通過經典光源直接照射對象并測量光強的分布來成像。而在量子成像中，則以非經典光源，通過符合測量技術等量子成像技術來獲取圖像。例如通過糾纏光子對實現關聯成像（如右圖所示），或者使用壓縮光構建極低噪聲的量子增強顯微鏡。

典型的經典成像與量子成像的比較

在這里我們簡單介紹兩種基于量子關聯成像的技術，關鍵在于穩定、高效地產生糾纏光子對。目前，通過周期性極化晶體（例如ppln、PPKTP）的非線性過程是主流方案，特別是自發參量下轉換（SPDC）。通過將泵浦激光照射到晶體上，由參量下轉換產生糾纏光子對，而不同的相位匹配方式，可以獲得不同偏振、走離角、波長等特性的糾纏光子對，滿足不同的應用需求。

量子鬼成像QGI

鬼成像是大名鼎鼎的相關成像的一種，分為經典鬼成像GI和量子鬼成像QGI。雖然都能夠借助關聯性，實現“離物成像"，但借助糾纏光子對的量子鬼成像，具有更強的關聯性，能夠實現更快成像、更高抗干擾能力，可突破傳統分辨率極限。照明光路通過非線性晶體SPDC作用分為信號光和閑頻光，其中一路接觸物體后（通常是信號光），被低分辨率桶探測器（Bucket detector）采集；另一路不接觸物體（通常是閑頻光），直接由高空間分辨率探測器Iccd相機采集。當信號光子和閑頻光子在同一時間窗口內被采集到時，記錄為符合計數，并保存閑頻光子的空間位置信息。通過對這兩路的數據進行關聯計算，即可重構成像。使用無需空間分辨能力的桶探測器可以大幅度降低探測器成本，而另一路上，由于糾纏光子對的強關聯性，即使信號光受到環境噪聲（如散射或吸收）干擾，閑頻光子的空間信息仍可通過符合計數重建高質量圖像，從而實現鬼成像高的抗干擾性。

未探測光子的量子成像QIUP

未探測光子的量子成像QIUP是在鬼成像基礎上的衍生的一種量子關聯成像技術，同樣借助SPDC產生的量子糾纏對來實現關聯“離物成像"。但QIUP的核心特點在于成像過程中和物體交互的光子將不被探測，而探測另一束未與物體交互的光子，并借助量子干涉來進行成像。典型的裝置會涉及到兩個非線性晶體作為產生糾纏光子對的核心元件，其選擇與光路設計，直接決定了QIUP系統的性能與特點。本文將首先解析基于PPKTP晶體構建的典型QIUP系統，因PPKTP高轉換效率與對泵浦功率的良好耐受性，保證了該成像系統的穩定運行。

在“quantum imaging with Undetected Photons."這篇量子成像與未探測光子領域的開創性文獻中，明確指出使用的是Type-0相位匹配的PPKTP晶體，極化周期為9.675μm，由532 nm泵浦光SPDC產生 810 nm和1550 nm的非簡并、共線糾纏光子對。期間晶體的溫度由溫控精確調控，以滿足相位匹配條件。下面讓我們來看一下QIUP的基本原理。

泵浦激光通過分束器PBS分束后，其中一束泵浦光（透射）經過NL1 PPKTP，發生非簡并SPDC，產生信號光與閑頻光。帶有來自物體O的振幅和相位信息的閑頻光在二向色鏡D2處反射，與從PBS反射的另一束泵浦光共線對齊，該泵浦光隨后與NL2 PPKTP相互作用，使NL2產生的閑頻光與來自NL1的閑頻光在空間模式上對齊，這使下轉換源變得不可知。由于兩個閑頻光路徑的不可區分性，讓系統無法判斷參與干涉的糾纏光子對究竟是來自第1塊PPKTP晶體還是第二塊，使得兩個信號光在分束器BS處能夠發生量子干涉，信號光在BS處的干涉揭示了物體O的閑頻光傳輸特性。在這個過程中，和物體相互作用的NL1閑頻光始終未被被直接探測。

*注，圖中以及文字中的顏色僅方便識別，并非代表激光波長。

通過以上光路，把1550nm光束照射的物體信息完整的傳遞到810nm干涉條紋中。這將在zui終硅基相機emccd的探測中排除熱噪聲的影響，提高了靈敏度與信噪比。相比于量子鬼成像，QIUP無需依賴于雙光子符合計數，僅通過單光子計數即可，提高了成像速度。此外光源與探測的波長允許靈活調諧，擴展了成像的應用范圍。

強度&相位成像

憑借量子干涉對于路徑不可區分性的敏感，任何路徑差異都會直接調制可見度或者相位，因此QIUP又可以實現強度成像以及相位成像。

強度成像：依賴于物體對光子的吸收或阻擋。那些物體阻擋了閑頻光的區域，破壞了干涉條件，因此不會產生干涉條紋。干涉條紋的可見度直接反映了物體的透射率分布。

相位成像：依賴于物體對光子的相位調制。適用于那些透明物體，并且具有折射率或者厚度變化。閑頻光穿過這些物體時會引入相位延遲，該相位變化通過量子干涉傳遞給信號光子。

本文中借助PPKTP產生糾纏光子對的量子鬼成像QIUP方案，實現跨波段、未探測光子成像。它使得該成像系統在紅外光譜、生物醫學檢測和材料分析等領域，展現出突破傳統成像限制的巨大應用潛力。在下一篇中，我們將看到，以類似的QIUP原理，如何通過采用Covesion PPLN晶體并創新性地設計‘單晶體折返光路’，在保持核心成像能力的同時，實現了系統集成度上的重要突破。

英國Covesion有限公司是一家擁有超過20年經驗的公司，提供300nm~5000nm全波段波長轉換產品解決方案，專注于高效 MgO:PPLN / PPKTP 晶體與波導的研究、開發和制造。此外，Covesion還提供定制晶體服務，包括整個周期結構設計、掩膜設計、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿足特定波長轉換需求。

上海昊量光電設備有限公司作為英國Covesion在中國地區的獨代,負責其所有產品在國內的銷售、服務，以及售后技術支持等。

參考文獻

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Lemos, Gabriela Barreto, et al. "Quantum imaging with undetected photons." Nature 512.7515 (2014): 409-412.

Pearce, Emma, et al. "Practical quantum imaging with undetected photons." Optics Continuum 2.11 (2023): 2386-2397.

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