基于纠缠光子对到达时间和位置同步测量的量子鬼成像及高维纠缠成像研究

In the current quantum ghost imaging and high-dimensional entanglement imaging system, the time coincidence measurement of the entangled photon pairs is realized by using the method of dot detector plus the scanning. Due to the problem of low photon collection efficiency and interference of the stray light, the spatial resolution of the imaging is not high and the imaging time is very long. Based on the previous research results of photon arrival time and position synchronization measurement and non – scanning time-correlated photon counting imaging, this project research on the quantum ghost imaging and high-dimensional entanglement imaging based on the arrival time and position synchronization measurement of entangled photon pairs. Point detector plus scanning method is replaced by array position sensitive anode photon detection system to improve photon collection efficiency and shorten the imaging time. High performance time and position synchronization measurement electronics system is developed. On the basis of the time-coincidence of the entangled photons, the arrival position of the entangled photon pairs is measured continuously and synchronously. Make full use of time and position data of entangled photons obtained simultaneously, characterize the entangled photons' spatial entanglement accurately and reconstruct quantum ghost images and high-dimensional entanglement images n high-resolution. Carry out research on inherent mechanism of imaging performance affected by entangled photon flux fluctuation and space-time correlation, and the research on the quantum ghost image reconstruction algorithm based on the compression sensing theory and the maximum likelihood estimation to achieve a high resolution image with less photons and to further shorten the imaging time.

目前量子鬼成像和高维纠缠成像系统中多采用点探测器加扫描方式实现纠缠光子对的时间符合测量，由于存在光子收集效率低和杂散光干扰等问题，成像空间分辨率不高，成像时间很长。本项目在前期已取得光子到达时间和位置同步测量，非扫描时间相关光子计数成像等研究成果的基础上，开展基于纠缠光子对到达时间和位置同步测量的量子鬼成像和高维纠缠成像实验研究。采用面阵位敏阳极光子探测系统取代点探测器加扫描的方式，研制高性能时间和位置同步测量电子学系统，在纠缠光子对时间符合的基础上，连续、同步测量出纠缠光子对的到达位置，充分利用同步获取的纠缠光子对的到达时间和位置数据，精确表征纠缠光子的空间纠缠特性，重建高分辨率的量子鬼图像和高维纠缠图像。研究光子通量涨落、时空关联特性等影响成像性能的机理，研究基于压缩传感理论和极大似然估计的图像优化算法，实现以较少的光子成高分辨率像，进一步缩短成像时间。

目前鬼成像和高维纠缠成像系统中多采用点探测器加扫描方式实现纠缠光子对的时间符合测量，由于存在光子收集效率低和杂散光干扰等问题，成像空间分辨率不高，成像时间很长。因此本项目提出开展基于单光子探测的计算鬼成像/单像素成像的研究方案，通过一个无空间分辨率的单光子探测器实现二维成像。主要取得以下成果：[1] 提出一种基于单光子计数探测的大面积单像素成像方法，在此基础上搭建了单光子压缩偏振成像系统，单光子压缩光谱成像系统，单光子压缩荧光显微成像系统。[2] 提出了一种基于连续光子到达时间测量的单光子成像方法，在此基础上搭建了非视域单光子压缩成像系统。[3] 建立了基于单光子计数探测的大面积单像素成像模型，单光子雷达成像模型，单光子压缩雷达模型。[4] 提出了空间自适应采样的高效单光子压缩成像方法。[5] 提出了一种时间自适应的单光子压缩成像方法。[6] 提出用于单像素成像的采样和重建联合优化的压缩重建网络。[7] 提出基于物理模型展开网络的单光子压缩重建网络。[8] 提出基于生成模型的单光子压缩重建网络。[9] 提出基于卷积采样的大面积单光子压缩重建网络。[10] 提出了基于序列模型的泛化测量率的单光子压缩重建网络。通过本项目研究极大提高了单光子压缩成像的采样效率，缩短了重建时间，为单光子压缩成像技术在荧光显微成像、多光谱成像、光子雷达中的应用奠定了良好的基础。.在《Optics Express》，《IEEE Photonics Journal》，《光学学报》等国内外知名期刊发表论文16篇，其中SCI收录11篇。已授权发明专利8项。培养已经毕业硕士生12名，在读硕士生6名。