[논문 리뷰] Heralded single-photon ghost imaging

Reuben S. Aspden, D. S. Tasca외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 20.

Random lasers and scattering media인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 스캐닝 단일 흡수 검출기를 시간 간격이 있는 카메라로 대체하여 전체 분야의 단일 광자 사건을 캡처하는 비례 단일 광자 고스트 영상 시스템을 제안한다. 양자 얽힌 광자 쌍에서 유사 EPR의 위치 및 운동량 상관관계를 이용하여 500개 이상의 모드에서 90%의 고대비 영상을 달성하며, 기존 스캐닝 방법에 비해 샘플링 효율을 크게 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이미지 픽셀 수 N에 반비례하는 스캐닝 기반 단일 광자 고스트 영상의 낮은 샘플링 효율을 해결하기 위해.
• 기계적 스캐닝을 시간 간격이 있는 카메라로 대체하여 고스트 영상에서 전체 분야의 고효율 단일 광자 사건 검출을 가능하게 하기 위해.
• 양자 얽힌 광자 쌍의 유사 EPR 위치 및 운동량 상관관계를 활용하여 영상 평면과 멀리 떨어진 평면에서 고대비 영상을 형성하기 위해.
• 저조도 영상 및 양자 정보 응용 분야에 적합한 확장 가능하고 고모드 수의 고스트 영상 시스템을 구현하기 위해.

제안 방법

• 비선형 광학에서 자발적 비선형 주파수 분할을 통해 광자 쌍이 생성되며, 한 빛은 물체를 조명하고 다른 한 빛은 시간 간격이 있는 카메라로 검출된다.
• 시간 간격이 있는 카메라는 전체 시야에서 동시에 단일 광자 사건을 기록하여 기계적 스캐닝이 필요 없도록 한다.
• 헤일딩을 통해 검출된 보조 광자와 대응하는 신호 광자를 식별하여, 오직 상관관계가 있는 사건들만 영상 재구성에 사용되도록 한다.
• 양자 얽힌 광자 쌍 간의 위치 및 운동량 상관관계를 활용하여 영상 평면과 멀리 떨어진 평면에서 영상을 형성한다.
• 헤일딩된 신호 광자 수와 시간 간격이 있는 카메라에서 얻은 공간 해상도가 있는 보조 광자 측정치를 상관시켜 영상 재구성을 수행한다.
• 양자 얽힌 광자 쌍에 내재된 비국소적 양자 상관관계를 이용하여 고대비 영상 재구성을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 분야의 단일 광자 검출이 스캐닝을 대체하여 고스트 영상의 샘플링 효율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 시간 간격이 있는 카메라를 사용한 비례 단일 광자 고스트 영상에서 도달 가능한 최대 영상 대비는 얼마인가?
• RQ3 유사 EPR 상관관계를 이용한 단일 광자 고스트 영상 시스템에서 몇 개의 공간 모드를 해상할 수 있는가?
• RQ4 동일한 얽힌 광자 소스를 사용하여 영상 평면과 멀리 떨어진 평면에서 모두 고대비 고스트 영상을 형성할 수 있는가?
• RQ5 시간 간격이 있는 카메라 사용이 비례 고스트 영상의 신호 대 잡음비 및 전체 영상 품질에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 시스템은 90%의 영상 대비를 달성하여 스캐닝 없이도 고정밀 고스트 영상 재현을 입증한다.
• 500개 이상의 공간 모드가 고스트 영상에서 해상되어 고정보 전송 능력과 높은 공간 해상도를 나타낸다.
• 영상 평면과 광자 쌍 소스의 멀리 떨어진 평면에서 모두 고대비 영상이 성공적으로 형성되어 유사 EPR 상관관계의 강건성을 확인한다.
• 시간 간격이 있는 카메라는 전체 분야 검출을 가능하게 하여 스캐닝 시스템에서 관찰되는 N⁻¹ 비례의 샘플링 효율 저하를 제거한다.
• 헤일딩 메커니즘이 신호 광자와 보조 광자 간의 고정밀 상관관계를 보장하여 배경 잡음 감소와 영상 품질 향상을 이룬다.
• 높은 모드 수와 효율적인 검출 덕분에 저조도 영상 및 양자 정보 처리 분야의 실용적 응용이 가능해진다.