[论文解读] 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 1

一句话总结

本文提出了一种预告单光子鬼成像系统，用时间门控相机取代扫描单像素探测器，以捕获全场单光子事件，利用纠缠光子对的EPR类位置与动量关联，在超过500个模式下实现90%的高对比度图像，显著提升了传统扫描方法的采样效率。

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.

研究动机与目标

• 为克服基于扫描的单光子鬼成像固有的低采样效率问题，该效率与图像像素数N成反比。
• 通过用时间门控相机替代机械扫描，实现在鬼成像中全场、高效率的单光子事件检测。
• 利用纠缠光子对中的EPR类位置与动量关联，在成像平面和远场平面均形成高对比度图像。
• 展示一种可扩展、高模式数的鬼成像系统，适用于低光强成像和量子信息应用。

提出的方法

• 通过自发参量下转换产生纠缠光子对，其中一束照射物体，另一束由时间门控相机探测。
• 时间门控相机同时记录整个视场内的单光子事件，消除了机械扫描的需要。
• 采用预告机制识别与探测到的闲频光子对应的信号光子，确保仅使用相关事件进行图像重建。
• 利用纠缠光子对在位置和动量上的空间关联，在成像平面和远场平面形成图像。
• 通过将预告的信号光子计数与时间门控相机获得的空间分辨闲频光子测量结果进行相关处理，完成图像重建。
• 通过利用纠缠光子对固有的非定域量子关联，实现高对比度成像。

实验结果

研究问题

• RQ1 全场单光子检测能否取代鬼成像中的扫描以提升采样效率？
• RQ2 利用时间门控相机的预告单光子鬼成像可实现的最大图像对比度是多少？
• RQ3 利用EPR类关联的单光子鬼成像系统可分辨多少个空间模式？
• RQ4 能否使用同一纠缠光子源在成像平面和远场平面均形成高对比度鬼像？
• RQ5 使用时间门控相机对预告鬼成像中的信噪比和整体图像质量有何影响？

主要发现

• 系统实现了90%的图像对比度，证明了无需扫描即可实现高保真鬼成像。
• 鬼像中分辨出超过500个空间模式，表明具有高信息容量和空间分辨率。
• 在光子对源的成像平面和远场平面均成功形成高对比度图像，证实了EPR类关联的鲁棒性。
• 时间门控相机实现了全场探测，消除了扫描系统中N⁻¹量级的采样效率下降问题。
• 预告机制确保了信号光子与闲频光子之间高保真相关性，降低了背景噪声并提升了图像质量。
• 由于高模式数和高效探测，该方法使低光强成像和量子信息处理的实际应用成为可能。