[論文レビュー] Heralded single-photon ghost imaging

Reuben S. Aspden, D. S. Tasca+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2012

Random lasers and scattering media被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、走査型単一ピクセル検出器の代わりに時間ゲート付きカメラを用いて全フィールド単一光子イベントを捉える、予告付き単一光子ゴースト画像化システムを提示する。エンタングルド光子対からのEPRに類似た位置および運動量相関を用いることで、500モードを超える高コントラスト（90%）の画像を実現し、従来の走査法に比べて顕著に高いサンプリング効率を達成する。

ABSTRACT

Correlated-photon imaging, popularly known as ghost imaging, is a technique whereby an image is formed from light that has never interacted with the object. In ghost imaging experiments two correlated light fields are produced. One of these fields illuminates the object, and the other field is measured by a spatially resolving detector. In the quantum regime, these correlated light fields are produced by entangled photons created by spontaneous parametric down-conversion. To date, all correlated-photon ghost-imaging experiments have scanned a single-pixel detector through the field of view to obtain the spatial information. However, scanning leads to a poor sampling efficiency, which scales inversely with the number of pixels, N, in the image. In this work we overcome this limitation by using a time-gated camera to record the single-photon events across the full scene. We obtain high-contrast images, 90%, in either the image plane or the far-field of the photon pair source, taking advantage of the EPR-like correlations in position and momentum of the photon pairs. Our images contain a large number of modes, >500, creating opportunities in low-light-level imaging and in quantum information processing.

研究の動機と目的

• 走査ベースの単一光子ゴースト画像化に内在する低サンプリング効率（画像ピクセル数Nに反比例）を克服すること。
• 機械的走査を時間ゲート付きカメラに置き換えることで、ゴースト画像化における全フィールド・高効率な単一光子イベント検出を可能にすること。
• エンタングルド光子対におけるEPRに類似た位置および運動量相関を活用し、画像平面および遠方平面の両方で高コントラスト画像を形成すること。
• 低光量画像化および量子情報応用に適したスケーラブルで高モード数のゴースト画像化システムを実証すること。

提案手法

• エンタングルド光子対は自己準位変換による非線形効果で生成され、一方のビームが物体を照らし、他方のビームが時間ゲート付きカメラで検出される。
• 時間ゲート付きカメラは全視野にわたって同時に単一光子イベントを記録し、機械的走査の必要性を排除する。
• 予告（heralding）を用いて、検出されたイドラー光子に対応する信号光子を同定し、相関のあるイベントのみを画像再構成に使用する。
• エンタングルド光子対間の位置および運動量における空間相関を活用し、画像平面および遠方平面の両方で画像を形成する。
• 画像再構成は、予告付き信号光子カウントと時間ゲート付きカメラによる空間分解能のあるイドラー光子測定値を相関させることで実施される。
• エンタングルド光子対に内在する非局所的量子相関を活用することで、高コントラスト画像化を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全フィールド単一光子検出がゴースト画像化における走査を置き換えることで、サンプリング効率が向上するか？
• RQ2 時間ゲート付きカメラを用いた予告付き単一光子ゴースト画像化で達成可能な最大コントラストは何か？
• RQ3 EPRに類似た相関を用いた単一光子ゴースト画像化システムで、何モードの空間モードが分解可能か？
• RQ4 同じエンタングルド光子源を用いて、画像平面および遠方平面の両方で高コントラストのゴースト画像を形成できるか？
• RQ5 時間ゲート付きカメラの使用が、予告付きゴースト画像化における信号対雑音比および全体的な画像品質に与える影響は何か？

主な発見

• 本システムは90%のコントラストを達成し、走査なしで高忠実度のゴースト画像化を実現した。
• 500モードを超える空間モードがゴースト画像で分解可能であり、高い情報容量および空間分解能を示している。
• 画像平面および光子対源の遠方平面の両方で高コントラストの画像が成功裏に形成され、EPRに類似た相関の頑健性が確認された。
• 時間ゲート付きカメラにより全フィールド検出が可能となり、走査システムで見られるN⁻¹に比例するサンプリング効率の低下が回避された。
• 予告機構により信号光子とイドラー光子の高忠実度相関が確保され、バックグラウンドノイズが低減され、画像品質が向上した。
• 高いモード数と効率的な検出の両方を備えるため、低光量画像化および量子情報処理への実用的応用が可能となった。