图 1.实验结果。a， 实验装置。b，相机上的强度图像和 c，相关图像。强度图像没有显示有关物体的信息，但可以在相关图像中看到这些信息。图片来源：Chloé Vernière

如果您可以将图像隐藏在显眼的地方 - 如此之好，以至于即使是最先进的相机也无法检测到它，那会怎样？想象一下，使用量子光学的特性对视觉信息进行编码，使其对普通成像技术不可见。

这正是索邦大学巴黎纳米科学研究所的一组研究人员所取得的成就，他们使用纠缠光子开发了一种量子成像的新方法。

Hugo Defienne 和他的团队开发了一种技术，可以将图像编码为纠缠光子之间的空间相关性，纠缠光子是光粒子以这样一种方式连接，即使距离很远，它们的空间自由度也非常相关。

“纠缠光子是许多应用的基础，例如量子计算和密码学，”在 Defienne 指导下的博士候选人、发表在《物理评论快报》上的研究的第一作者 Chloé Vernière 说。“因此，能够定制光子的空间相关性以满足不同的需求至关重要。”

该团队探索了如何塑造这种量子属性，以标准相机不可见的方式编码视觉信息。

他们使用一种称为自发参数下转换 （SPDC） 的过程来产生纠缠光子对。通过将来自蓝色激光的高能光子穿过非线性晶体，光子被分成两个低能量的纠缠光子。

实验装置（见图 1a）涉及用透镜将图像投射到蓝色激光路径中的非线性晶体上。如果没有晶体，这种设置的行为就像传统的成像系统一样，产生物体的图像。然而，当晶体存在时，SPDC 过程就会发生，只有纠缠的光子对才能到达相机。

接下来发生的事情令人震惊：相机没有看到图像，而是记录了均匀的强度（见图 1b），没有显示原始物体的痕迹。它的信息现在隐藏在纠缠光子之间的量子相关性中。

为了发现隐藏的图像，研究人员使用了单光子敏感相机，并开发了算法来检测光子巧合，即成对纠缠的光子同时到达相机的事件。通过分析这些巧合，研究人员能够根据光子对的空间相关性重建图像（见图 1c）。

从概念上总结图像编码对量子相关性的贡献的图表。图片来源：Chloé Vernière 和 Hugo Defienne

“图像被转移到光子的空间相关性中，”Defienne 说。“如果你试图像正常成像一样观察它——仅仅通过计算单个光子——你什么也看不到。

“但是，如果你测量光子的同时到达并分析它们在空间上的分布，就会出现图像。这里的关键是，我们利用了传统成像中通常不会利用的光的量子特性。

Vernière 补充道：“这种方法非常灵活，实验设计相对简单，因此在实际应用中很有希望。我们相信，通过控制晶体和激光器的特性，有可能将多个图像编码为一束纠缠光子。

该技术还可用于安全量子通信的应用，甚至通过散射介质（如雾或生物组织）进行成像，因为量子光比经典光更强、更有弹性。

这个故事是 Science X Dialog 的一部分，研究人员可以在其中报告他们发表的研究文章的发现。请访问此页面，了解有关 Science X Dialog 以及如何参与的信息。

更多信息：Chloé Vernière 等人，在量子相关性中隐藏图像，物理评论快报（2024 年）。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.093601。在 arXiv 上： DOI： 10.48550/arxiv.2403.05166

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv

Chloé Vernière 是巴黎索邦大学的博士生，在巴黎纳米科学研究所的量子成像团队工作。Hugo Defienne 是巴黎索邦大学 （Sorbonne University） 的 CNRS 研究员，领导巴黎纳米科学研究所的量子成像团队。他们的研究兴趣包括量子光学、光学成像和散射介质中的光学。