[論文レビュー] Ghost Imaging: What is quantum, what is not

Baris I. Erkmen, Jeffrey H. Shapiro|ArXiv.org|Dec 10, 2006

Random lasers and scattering media被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、古典的および量子的ガウス状態光源を用いたゴースト像の統一的枠組みを提示し、像形成自体が根本的に古典的であることを示している。これは位相不変および位相感受性の自己相関に依存する。主な量子的利点は、同一の自己相関を持つ非古典的光源を用いることで、分解能と視野の向上が達成できることにある。また、近場および遠場の両領域でコントラストが向上する。

ABSTRACT

We provide a unified treatment of classical and quantum Gaussian-state sources that unambiguously identifies which features of ghost imaging are strictly quantum mechanical. We show that ghost-image formation is fundamentally classical, with the image being expressible in terms of the phase-insensitive and phase-sensitive cross correlations between the detected fields. We then consider ghost-imaging scenarios with either phase-insensitive or phase-sensitive sources, where the former are always classical but the latter may be classical or quantum mechanical. We show that if their auto-correlations are identical, then a quantum source provides resolution improvement in its near-field and field-of-view improvement in its far field when compared to a classical source.

研究の動機と目的

• ゴースト像における古典的と量子的境界を明らかにするため、ガウス状態光源を分析すること。
• ゴースト像のどの特徴が厳密に量子力学的であるか、古典的に説明可能であるかを特定すること。
• 同一の自己相関を持つ古典的および量子的位相感受性光源の間で、像の分解能と視野を比較すること。
• 光源の統計的性質がコントラストに与える影響を、特に帯域幅が広い vs. 狭い状況において定量化すること。

提案手法

• 著者らは、位相不変および位相感受性の自己相関関数で特徴づけられる、ゼロ平均、コherency分離可能、かつ共通ガウス量子状態を用いてゴースト像をモデル化する。
• 光電流の自己相関を、信号場と参照場の間の空間的自己相関に依存する、空間的に変化するフィルタリングされたオブジェクト透過率の線形変換として導出する。
• ガウス状態のモーメント因数分解を用いて、画像を $ K^{(n)}_{1,2} $ および $ K^{(p)}_{1,2} $ で表す。これらはそれぞれ位相不変および位相感受性の自己相関を表す。
• 自由空間伝搬およびレンズを用いた信号腕光学系を含め、現実的な設定をモデル化する。画像スケーリングは、倍率係数 $ M = -d_2/d_1 $ に従う。
• パーサバルの定理を適用して、修正された画像と元のオブジェクト面ゴースト像との関係を示し、$ C'(oldsymbol{ ho}_1) = M^2 C(Moldsymbol{ ho}_1) $ を得る。
• 検出器帯域幅と光源帯域幅を用いてコントラスト劣化を評価し、古典的（ガウス・シェルモデル）および量子的（二光子）時間的自己相関を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゴースト像のどの特徴が本質的に量子力学的であり、どの特徴が古典的に説明可能であるか。
• RQ2 ゴースト像は、自己相関のみで完全に古典的に記述可能か。もしくはエンタングルメントが不可欠か。
• RQ3 同一の自己相関を持つ場合、古典的および量子的位相感受性光源の分解能と視野はどのように比較されるか。
• RQ4 位相感受性自己相関が、画像の反転およびコントラスト向上に果たす役割は何か。
• RQ5 非古典的性質は、コントラストを超えて、分解能や視野の向上といった画像品質の向上にも寄与するか。

主な発見

• ゴースト像形成は根本的に古典的であり、検出された場の間の位相不変および位相感受性自己相関に起因する。
• 位相感受性ゴースト像において、画像の反転はエンタングルメントではなく、コherencyタイプの自由空間伝搬の違いに起因する。
• 自己相関が同一の場合、量子的位相感受性光源は、古典的光源に比べて近場で分解能の向上、遠方で視野の拡大を実現する。
• 量子的光源は、特に帯域幅が広い状況において、好都合な時間的自己相関構造のおかげで、古典的光源よりも高いコントラストを提供する。
• 量子的利点を得るためには、光子カウンターが全光子フラックスを時間分解する必要はなく、空間モード構造に起因する。
• 遠方での分解能および近方での視野は、光源のビームサイズに依存し、同一の自己相関を持つ古典的および量子的光源では同一である。