[論文レビュー] Pixel super-resolution using spatially-entangled photon pairs

Hugo Defienne, P. B. Cameron+8 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2021

Quantum Information and Cryptography被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、空間的にエンタングルされた光子対を用いた量子イメージングのためのピクセルスーパーレゾリューション技術を提案する。この技術は、光子対の完全な結合確率分布（JPD）を測定することで、センサーのピクセル制限を超えた解像度を実現する。空間的エンタングルメントを活用し、事前の知識や機械的走査を必要とせずに、ピクセル未満の特徴を再構築することで、有効解像度を2倍に向上させ、通常のイメージングシステムで失われる空間情報の回復を可能にする。

ABSTRACT

Pixelation occurs in many imaging systems and limits the spatial resolution of the acquired images. This effect is notably present in quantum imaging experiments with correlated photons in which the number of pixels used to detect coincidences is often limited by the sensor technology or the acquisition speed. Here, we introduce a pixel super-resolution technique based on measuring the full spatially-resolved joint probability distribution (JPD) of spatially-entangled photons. Without shifting optical elements or using prior information, our technique increases the pixel resolution of the imaging system by a factor two and enables retrieval of spatial information lost due to undersampling. We demonstrate its use in various quantum imaging protocols using photon pairs, including quantum illumination, entanglement-enabled quantum holography, and in a full-field version of N00N-state quantum holography. The JPD pixel super-resolution technique can benefit any full-field imaging system limited by the sensor spatial resolution, including all already established and future photon-correlation-based quantum imaging schemes, bringing these techniques closer to real-world applications.

研究の動機と目的

• 光子相関に基づく量子イメージングシステムにおけるセンサーのピクセルサイズによる解像度制限を克服すること。
• 限られたピクセル数のセンサーを用いたフルフィールド量子イメージングにおいて、アンダーサンプリングによって失われた空間情報を回復すること。
• より高速または高解像度のカメラを必要とせずに、量子インフォメーションプロトコル（例：量子インフォメーションや量子ホログラフィー）における高解像度イメージングを可能にすること。
• エンタングルド光子の完全な空間的分解能を持つ結合確率分布（JPD）が、ピクセル未満の特徴を抽出するために利用可能であることを示すこと。
• 標準的な検出ハードウェアのみを用いて、既存の量子イメージング装置の解像度を向上させる実用的で非侵襲的な手法を提供すること。

提案手法

• ピクセル間隔Δを有するピクセル化検出器を用いて、画像面上における空間的エンタングル光子対の完全な2次元結合確率分布（JPD）を測定する。
• 2光子波動関数Ψt(x₁,x₂)が特徴的な幅σを持つ空間的エンタングルメントを活用し、ピクセル解像度を超える情報を抽出する。
• JPDはピクセルサイズの領域における統合により計算され、エンタングル状態の強度分布とピクセル境界の重なりが、ピクセル未満の解像度を可能にする主なインサイトである。
• JPDの和座標プロジェクションを用いて高解像度強度プロファイルを再構築し、センサーを変更せずに解像度を2倍に効果的に向上させる。
• 非対称な統合領域（S₁ ≠ S₂）が非対角JPD要素から生じるため、正規化を施すことで正確な振幅回復を保証する。
• 実験的にEMCCDカメラ（32 μmピクセル）を用いて検証し、16 μmピクセルカメラとの比較により、2倍の解像度向上を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的エンタングルド光子の結合確率分布（JPD）は、検出器のピクセルサイズよりも細かい空間情報を抽出するために利用可能か？
• RQ2 完全なJPDを測定することで、機械的走査や物体に関する事前知識なしにスーパーレゾリューションイメージングが可能か？
• RQ3 センサーのピクセル解像度が制限要因である場合、量子イメージングシステムの解像度はどの程度向上可能か？
• RQ4 JPDに基づく再構築手法は、モード変換関数（MTF）およびスペクトル応答の観点から、より高解像度のカメラによるイメージングと定量的に比較してどの程度優れているか？
• RQ5 このスーパーレゾリューション技術は、量子インフォメーションや量子ホログラフィーを含む複数の量子イメージングプロトコルに応用可能か？

主な発見

• 本手法は、空間的エンタングルド光子のJPDから得られるピクセル未満の特徴を再構築することで、有効ピクセル解像度を2倍に向上させる。
• JPDの和座標プロジェクションにより、センサーのナイキスト周波数の2倍まで空間周波数が回復され、スラントエッジのモード変換関数（MTF）測定で確認された。
• JPDから再構築された強度画像は、16 μmピクセルピッチのカメラで得られた画像と一致し、32 μmピクセルセンサーを用いても同等の解像度が達成された。
• 10周期のグレーティングにおいて、標準的な強度イメージングでは32 μmピクセルでは個々の周期が解像されないが、本手法により真の物体構造が回復された。
• 本手法は、量子インフォメーションやエンタングルメントを用いた量子ホログラフィーを含む複数の量子イメージングプロトコルにおいても、強固に機能し、一般応用の可能性を示した。
• 非対称な統合領域のため、JPDの正規化は不可欠であり、正確な振幅回復と解像度向上を保証する。