Можно изобразить объект с эффектом индуцированной когерентности, используя пары фотонов для получения информации об интересующем объекте, не обнаруживая зондирующего его света. Пока один фотон освещает объект, обнаруживается только его партнер, что предотвращает измерения событий совпадений для выявления информации об искомом объекте. Этот метод также можно сделать устойчивым к шуму.

В новом отчете, опубликованном в журнале Science Advances, Хорхе Фуэнзалида и группа специалистов в области прикладной оптики, точного машиностроения и теоретических коммуникаций из Германии экспериментально показали, как можно сделать этот метод устойчивым к шуму. Они представили подход, основанный на визуализации, основанный на интерферометрической модуляции интересующего сигнала для создания высококачественного изображения объекта независимо от экстремальных уровней шума, превосходящих фактический интересующий сигнал.

Квантовая визуализация

Квантовая визуализация — многообещающая область , которая имеет весомые преимущества по сравнению с классическими протоколами. Исследователи продемонстрировали этот метод в различных сценариях работы в режиме низкого потока фотонов, используя необнаруженные зондирующие фотоны для получения изображений со сверхвысоким разрешением.

Ученые также могут разрабатывать протоколы квантовой визуализации без классического аналога, основанные на квантовой интерференции и запутанности . Однако протоколы квантовой визуализации можно сделать устойчивыми к шуму . Например, дистилляция или очистка могут устранить декогерентность, вносимую окружающей средой в квантовую систему .

Также возможно реализовать квантовую визуализационную дистилляцию с одной и несколькими парными степенями свободы фотонов . В этой работе Фуэнсалида и его команда представили и экспериментально проверили метод дистилляции квантовых изображений, позволяющий обнаруживать только одиночные фотоны.

Метод квантовой визуализации необнаруженным светом (сокращенно QIUL) предлагает метод двухфотонной интерферометрической визуализации в широком поле. Во время этого процесса один фотон может осветить объект, при этом камерой обнаруживается только его фотон-партнер. При этом фотон, освещающий объект, остается незамеченным.

Этот метод предлагает уникальный метод исследования образцов. Затем ученые внедрили источник шума в схему квантовой визуализации, чтобы изучить ее устойчивость и показать хорошую производительность даже при интенсивности шума, превышающей в 250 раз интенсивность квантового сигнала.

Очистка квантового изображения и генерация фотонной пары

Дистилляция квантового изображения — это метод очистки квантового изображения от шума. Команда проиллюстрировала метод дистилляции, определив шумовое изображение как нежелательный сигнал, наложенный на квантовое изображение на камере. Чтобы получить изображение, Фуэнсалида и его команда использовали квантовую голографию с необнаруженным светом (сокращенно QHUL), где информация об объекте была перенесена в однофотонную интерференционную картину. Если разница в интенсивности метода больше, чем дисперсия интенсивности шума, команда могла бы выделить квантовое изображение.

Чтобы генерировать пары фотонов посредством взаимодействия интенсивного луча накачки с атомами нелинейного кристалла, команда использовала спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты. В схеме визуализации использовался интерферометр для генерации пары холостой сигнальных фотонов в режимах прямого и обратного распространения. Разница в уровне шума в установке способствовала изменению интенсивности сигнала; где разница в интенсивности сигнала, превышающая дисперсию шума, может выделить квантовое изображение.

Экспериментальная нелинейность и источники шума

Фуэнсалида и его коллеги реализовали экспериментальную установку с использованием нелинейного интерферометра в конфигурации Майкельсона и накачали кристалл лазером непрерывного действия. Из-за сильной нелинейности эксперимента команда создала пару фотонов посредством спонтанного параметрического преобразования с понижением частоты вдоль путей, но никогда одновременно. Они разделили сигнальный, холостой и накачивающий лучи в прямом направлении распространения с помощью дихроичных зеркал и отразили их в кристалле с помощью серии зеркал.

Камера в рамках эксперимента демонстрировала интерференционную картину сигнальных фотонов, которую команда отметила как перенос информации об объекте, полученной холостым фотоном, в интерференционную картину сигнальных фотонов . Команда использовала диодный лазер непрерывного действия с переменной мощностью накачки для введения шума в систему и изменяла свойства классического освещения, интенсивность и дисперсию, чтобы изучить влияние шума и производительность дистилляции.

Производительность дистилляции при различной интенсивности шума

Ученые наложили классические и квантовые изображения, чтобы выполнить квантовую голографию с необнаруженным светом, чтобы очистить или очистить квантовое изображение под воздействием шума различной интенсивности. Для квантового изображения они использовали сигнальные фотоны, генерируемые за один проход через кристалл, где интенсивность сигнала не менялась в ходе экспериментов. Они характеризовали различную интенсивность шума, накладывая на камеру квантовые и классические изображения, а по мере увеличения интенсивности шума измеряли точность экспериментальных результатов.

Исследователи провели второй эксперимент, чтобы количественно оценить влияние изменения шума на фазовую точность дистиллированных изображений, используя аналогичные конфигурации интенсивности шума. Экспериментальное поведение хорошо согласовывалось с теорией и хорошо сравнивалось с существующими методами.

Перспективы

Таким образом, Хорхе Фуэнсалида и его коллеги исследовали квантовую визуализацию с необнаруженным светом (QIUL) с помощью двухфотонного метода интерферометрической визуализации в широком поле. Пока один фотон освещал интересующий объект, а его партнер оставался на камере, освещающий фотон оставался незамеченным. Ученые очистили изображение с помощью квантовой голографии с необнаруженным светом (QHUL). Они доказали метод визуализации, частично или полностью наложив классический источник шума поверх квантового изображения на камере. Метод срабатывал каждый раз, даже при интенсивности шума, превышающей интенсивность сигнала.

Команда исследовала ограничения метода, представив моделирование квантовой голографии в условиях экстремального шума. Результаты экспериментов делают шаг вперед в области квантовой визуализации в открытых системах, позволяя даже изучить пределы инновационных версий квантового обнаружения и определения дальности света (LIDAR) с использованием необнаруженного света.