一组科学家开启了量子成像的新前沿，使用纳米级超表面产生纠缠光子对，具有无与伦比的分辨率和可调性。
这一突破消除了机械扫描，使超快速、紧凑的量子成像系统成为现实。其影响从激光雷达延伸到安全通信，使我们更接近现实世界的量子应用。
革命性的量子成像与超表面
来自澳大利亚国立大学（ANU）和墨尔本大学（UoM）的ARC转换元光学系统卓越中心（TMOS）的科学家们开发了一种突破性的量子成像技术。他们的方法利用超薄非线性超表面产生的空间纠缠光子对，通过结合鬼影成像和全光学扫描实现高分辨率图像重建。这一突破代表了量子光学和成像技术的重大进步。
发表在《eLight》上的这项研究解决了传统量子成像的关键局限性，即依赖于笨重的非线性晶体。这些传统的系统受限于尺寸、窄角发射和有限的视场，使它们在许多实际应用中不切实际。为了克服这些挑战，TMOS团队设计了一种纳米级二氧化硅元光栅，集成了薄铌酸锂薄膜。这种紧凑的结构有效地产生纠缠光子对，同时为量子成像提供了高度可调和可扩展的平台。
无机械元件的创新光学扫描
“这项研究的一个关键创新在于能够通过简单地调整泵浦光束的波长来光学地操纵光子发射角度。这种独特的特性消除了对机械扫描的需求，允许在一个维度上进行无缝和精确的光学扫描，同时在另一个维度上保持广泛的反相关光子发射，”澳大利亚国立大学TMOS的博士生任金亮（音译）说。
利用这些特征，研究人员成功地将光学扫描与鬼影成像结合起来，重建了二维物体。该方法在空闲路径中使用简单的一维检测器阵列，在信号路径中使用桶检测器，与传统系统相比，大大降低了硬件要求。
实验验证和无与伦比的性能
研究人员通过实验验证了他们的方法，通过重建红外波长的二维物体图像，并预测在分辨率和视野方面都有显着改善。他们发现，通过基于超表面的成像系统获得的分辨率单元的数量可以超过传统的量子鬼影成像装置四个数量级以上。这种卓越的性能源于缺乏纵向相位匹配约束，这限制了传统块状晶体的视野。
超表面：量子成像的未来？
该研究的首席研究员马金勇（音译）博士强调了这一创新的潜在影响。“我们的工作展示了基于超表面的量子成像系统在现实世界应用中的第一个实际潜力。它们紧凑的设计和可调性使它们成为自由空间应用程序的理想选择，在这些应用程序中，大小、稳定性和可伸缩性至关重要。这项技术可以集成到现代光子系统中，为自由空间量子通信、目标跟踪和传感应用的进步铺平道路。”此外，在没有机械组件的情况下进行光学扫描可以实现超快速成像，这对于量子激光雷达和目标跟踪等动态成像场景至关重要。
展望未来，研究人员正在探索进一步提高超表面光子对产生效率的方法。“我们正在研究具有更高非线性系数的新材料，并优化泵浦、信号和空闲波长三重共振的超表面设计，这有可能实现与传统笨重系统相当或超过传统系统的光子对产生率。这一发展将显著提高基于超表面的量子成像系统的速度、灵敏度和信噪比，使其更接近广泛的实际应用。合著者张继华（音译）博士说，他是前TMOS研究员，最近搬到了松山湖材料实验室。
超越成像：扩展量子技术的范围
“这项工作的意义不仅仅局限于成像。依赖于纠缠光子对的量子技术，如安全通信网络、量子激光雷达和先进的传感系统，可以从非线性超表面实现的紧凑、高效的光子对源中受益。结合光学可调性、纳米级集成和高分辨率成像，为广泛的量子应用提供了一个通用的平台，”该研究小组的负责人Andrey Sukhorukov教授说。
量子光学的新时代
这项研究代表了量子光学的一个重要里程碑，并突出了基于超表面技术的变革潜力。通过用可扩展的超薄结构取代笨重和刚性的光学元件，TMOS团队为新一代量子成像和传感设备奠定了基础，这些设备比以往任何时候都更紧凑、高效和适应性强。
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