中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子橢圓偏振成像研究中取得重要進(jìn)展：該團(tuán)隊(duì)史保森教授、周志遠(yuǎn)副教授課題組將高品質(zhì)偏振糾纏光源與經(jīng)典偏振成像技術(shù)相結(jié)合，在弱光場下實(shí)現(xiàn)了對周期性分布各向異性材料雙折射特性的觀測，并且展示了在同等光強(qiáng)環(huán)境下，該系統(tǒng)相較于經(jīng)典測量系統(tǒng)具備更高的探測準(zhǔn)確度及抗雜散光干擾能力。這項(xiàng)成果于4月4日在線發(fā)表在國際知名期刊《Npj quantum information》上。
偏振成像技術(shù)能夠捕捉材料中與偏振相關(guān)的特性，顯著增強(qiáng)傳統(tǒng)成像中難以區(qū)分的背景與目標(biāo)對比度，并能測量常規(guī)成像無法探測的光學(xué)常數(shù)、手性特征、應(yīng)力應(yīng)變分布等參數(shù)，其應(yīng)用范圍涵蓋基礎(chǔ)物理研究以及目標(biāo)識別、應(yīng)力檢測、生物醫(yī)學(xué)診斷和遙感等前沿領(lǐng)域。在偏振成像中引入量子光源照明為提高測量精度開辟了一條新的途徑，特別是在低照度領(lǐng)域，科研人員已在理論及實(shí)驗(yàn)上證明特定的量子光源在同等光照強(qiáng)度下具備打破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的能力，且糾纏光子源的非局域特性在遠(yuǎn)程操控領(lǐng)域同樣具有重要意義。到目前為止，量子成像工作的重點(diǎn)是精確測量被測樣品的外部形狀，與偏振相關(guān)的量子研究大多聚焦在對均勻材料的單點(diǎn)雙折射特性檢測，而將偏振成像與量子糾纏相結(jié)合的工作仍有待探索。
史保森教授、周志遠(yuǎn)副教授等人長期從事基于非線性過程的非經(jīng)典量子光源的制備與應(yīng)用相關(guān)研究，目前已經(jīng)將量子光源應(yīng)用于量子超表面邊緣探測[Sci.Adv.6，eabc4385(2020)]、偏振干涉儀中的光子干涉行為研究[Phys.Rev.Lett.120，263601(2018)]等工作中。在這項(xiàng)工作中，團(tuán)隊(duì)將在偏振糾纏量子光源的制備與表征方面的優(yōu)勢引入到經(jīng)典光度式偏振檢測系統(tǒng)中，通過構(gòu)造控制端和測量端分離的雙路偏振檢測結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了量子橢偏成像系統(tǒng)的構(gòu)建。該工作選取具有周期性雙折射特性的各向異性材料作為樣品，以結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)(SSIM)作為定量衡量成像品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，在光照強(qiáng)度逐漸減弱至百光子量級的低照明條件以及不同強(qiáng)度的雜散光擾動(dòng)光源下，對量子及經(jīng)典偏振成像系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量評估和比對，驗(yàn)證了弱光條件下量子橢偏成像系統(tǒng)具備更高的測量準(zhǔn)確性以及更強(qiáng)的抗干擾特性。此外，團(tuán)隊(duì)利用糾纏光源所特有的非局域性展示了系統(tǒng)在遠(yuǎn)程操控入射偏振態(tài)方面的特性，該特性使得量子橢偏系統(tǒng)在檢測過程中對測量光路的干擾降到更低水準(zhǔn)，有利于探測結(jié)果的穩(wěn)定，并適用于一些不可達(dá)或易擾動(dòng)的復(fù)雜探測環(huán)境。
圖1.(A)實(shí)驗(yàn)裝置圖和(B)光源質(zhì)量評估
圖2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。(A)不同入射光強(qiáng)下成像比對(B)不同噪聲環(huán)境下成像比對(C)系統(tǒng)最低可成像光強(qiáng)探索
該工作是量子糾纏與偏振成像相結(jié)合的一次有趣的嘗試。通過結(jié)合兩領(lǐng)域各自的優(yōu)勢，該系統(tǒng)有望在光敏薄膜材料的偏振特性檢測，無接觸、無創(chuàng)式生物醫(yī)學(xué)偏振成像，以及復(fù)雜天氣環(huán)境中的目標(biāo)識別等方向?qū)崿F(xiàn)潛在應(yīng)用。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)已出站的博士后解孟雨與已畢業(yè)的博士生牛素儉為共同第一作者，史保森、周志遠(yuǎn)為論文共同通訊作者。這項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、科技部和中國科大“雙一流”建設(shè)經(jīng)費(fèi)的支持。
