应用探究|超越鬼成像（一）：基于PPKTP实现跨波段“无探测”量子成像

2025年无疑是量子的盛会，不仅被联合国大会和联合国教科文组织正式定为“国际量子科学与技术年”（IYQ），今年的诺贝尔物理学奖也花落量子物理领域。当我们谈到量子力学和经典力学中的区别，量子纠缠无疑是其中最具神秘色彩的之一，光子之间的超距作用即使是爱因斯坦也为之困惑。在量子纠缠中，粒子系统的整体状态是明确的，但每个粒子没有独立的确定状态。系统处于叠加态中，测量结果之间的关联是确定的，而单个粒子的测量结果无法提前预测。在我们以前的文章中，我们分享了很多量子纠缠应用于量子通信，而量子成像中，纠缠光子对同样崭露头角，引发一场成像革命。

 

 

 

经典成像&量子成像

在经典成像中，通过经典光源直接照射对象并测量光强的分布来成像。而在量子成像中，则以非经典光源，通过符合测量技术等量子成像技术来获取图像。例如通过纠缠光子对实现关联成像（如右图所示），或者使用压缩光构建极低噪声的量子增强显微镜。

 

 

典型的经典成像与量子成像的比较

在这里我们简单介绍两种基于量子关联成像的技术，关键在于稳定、高效地产生纠缠光子对。目前，通过周期性极化晶体（例如PPLN、PPKTP）的非线性过程是主流方案，特别是自发参量下转换（SPDC）。通过将泵浦激光照射到晶体上，由参量下转换产生纠缠光子对，而不同的相位匹配方式，可以获得不同偏振、走离角、波长等特性的纠缠光子对，满足不同的应用需求。

 

 

 

量子鬼成像QGI

鬼成像是大名鼎鼎的相关成像的一种，分为经典鬼成像GI和量子鬼成像QGI。虽然都能够借助关联性，实现“离物成像”，但借助纠缠光子对的量子鬼成像，具有更强的关联性，能够实现更快成像、更高抗干扰能力，可突破传统分辨率极限。照明光路通过非线性晶体SPDC作用分为信号光和闲频光，其中一路接触物体后（通常是信号光），被低分辨率桶探测器（Bucket detector）采集；另一路不接触物体（通常是闲频光），直接由高空间分辨率探测器ICCD相机采集。当信号光子和闲频光子在同一时间窗口内被采集到时，记录为符合计数，并保存闲频光子的空间位置信息。通过对这两路的数据进行关联计算，即可重构成像。使用无需空间分辨能力的桶探测器可以大幅度降低探测器成本，而另一路上，由于纠缠光子对的强关联性，即使信号光受到环境噪声（如散射或吸收）干扰，闲频光子的空间信息仍可通过符合计数重建高质量图像，从而实现鬼成像极高的抗干扰性。

 

 

 

未探测光子的量子成像QIUP

未探测光子的量子成像QIUP是在鬼成像基础上的衍生的一种量子关联成像技术，同样借助SPDC产生的量子纠缠对来实现关联“离物成像”。但QIUP的核心特点在于成像过程中和物体交互的光子将完全不被探测，而探测另一束未与物体交互的光子，并借助量子干涉来进行成像。典型的装置会涉及到两个非线性晶体作为产生纠缠光子对的核心元件，其选择与光路设计，直接决定了QIUP系统的性能与特点。本文将首先解析基于PPKTP晶体构建的典型QIUP系统，因PPKTP高转换效率与对泵浦功率的良好耐受性，保证了该成像系统的稳定运行。

 

 

在“Quantum Imaging with Undetected Photons.”这篇量子成像与未探测光子领域的开创性文献中，明确指出使用的是Type-0相位匹配的PPKTP晶体，极化周期为9.675μm，由532 nm泵浦光SPDC产生 810 nm和1550 nm的非简并、共线纠缠光子对。期间晶体的温度由温控精确调控，以满足相位匹配条件。下面让我们来看一下QIUP的基本原理。

 

 

泵浦激光通过分束器PBS分束后，其中一束泵浦光（透射）经过NL1 PPKTP，发生非简并SPDC，产生信号光与闲频光。带有来自物体O的振幅和相位信息的闲频光在二向色镜D2处反射，与从PBS反射的另一束泵浦光共线对齐，该泵浦光随后与NL2 PPKTP相互作用，使NL2产生的闲频光与来自NL1的闲频光在空间模式上完全对齐，这使下转换源变得不可知。由于两个闲频光路径的不可区分性，让系统无法判断参与干涉的纠缠光子对究竟是来自第一块PPKTP晶体还是第二块，使得两个信号光在分束器BS处能够发生量子干涉，信号光在BS处的干涉揭示了物体O的闲频光传输特性。在这个过程中，和物体相互作用的NL1闲频光始终未被被直接探测。

 

 

*注，图中以及文字中的颜色仅方便识别，并非代表激光波长。

 

 

通过以上光路，把1550nm光束照射的物体信息完整的传递到810nm干涉条纹中。这将在最终硅基相机EMCCD的探测中排除热噪声的影响，提高了灵敏度与信噪比。相比于量子鬼成像，QIUP无需依赖于双光子符合计数，仅通过单光子计数即可，提高了成像速度。此外光源与探测的波长允许灵活调谐，扩展了成像的应用范围。

 

 

 

强度&相位成像

凭借量子干涉对于路径不可区分性的敏感，任何路径差异都会直接调制可见度或者相位，因此QIUP又可以实现强度成像以及相位成像。

 

 

强度成像：依赖于物体对光子的吸收或阻挡。那些物体阻挡了闲频光的区域，破坏了干涉条件，因此不会产生干涉条纹。干涉条纹的可见度直接反映了物体的透射率分布。

 

 

相位成像：依赖于物体对光子的相位调制。适用于那些透明物体，并且具有折射率或者厚度变化。闲频光穿过这些物体时会引入相位延迟，该相位变化通过量子干涉传递给信号光子。

 

 

本文中借助PPKTP产生纠缠光子对的量子鬼成像QIUP方案，实现跨波段、未探测光子成像。它使得该成像系统在红外光谱、生物医学检测和材料分析等领域，展现出突破传统成像限制的巨大应用潜力。在下一篇中，我们将看到，以类似的QIUP原理，如何通过采用Covesion PPLN晶体并创新性地设计‘单晶体折返光路’，在保持核心成像能力的同时，实现了系统集成度上的重要突破。

英国Covesion有限公司是一家拥有超过20年经验的公司，提供300nm~5000nm全波段波长转换产品解决方案，专注于高效 MgO:PPLN / PPKTP 晶体与波导的研究、开发和制造。此外，Covesion还提供定制晶体服务，包括整个周期结构设计、掩膜设计、晶体极化、切块、抛光和镀膜增透，以满足特定波长转换需求。

 

 

上海昊量光电设备有限公司作为英国Covesion在中国地区的独家授权代理商,负责其所有产品在国内的销售、服务，以及售后技术支持等。

参考文献

Tong, Xin, Yide ide Zhang, and Lihong ihong V. Wang. "Enhancing Optical Microscopy with Quantum Entanglement." Optics and Photonics News 35.11 (2024): 32-39.

Lemos, Gabriela Barreto. “Quantum Imaging with Undetected Photons.” SlideServe, 27 OCT. 2015.

Lemos, Gabriela Barreto, et al. "Quantum imaging with undetected photons." Nature 512.7515 (2014): 409-412.

Pearce, Emma, et al. "Practical quantum imaging with undetected photons." Optics Continuum 2.11 (2023): 2386-2397.