量子与经典关联全息成像研究

Ghost imaging is completely different from traditional optical imaging principle; it uses the fluctuations of the light field to retrieve the information of an object through correlation measurement. The standard ghost imaging approaches with both quantum entangled source and thermal light can only obtain image of an amplitude object or amplitude-dependent part of a complex-valued object. However, the phase retrieval process is necessary for recovering the object function in practical applications. This is a challenge for ghost imaging. In this project, we plan to carry out some deep and systematic investigations on the ghost holographic imaging with classical and quantum light. Specifically we will focus on the dependence of the quality of ghost images on the orthogonality of the speckle distribution and the quantization noise of the measuring system, multi-wavelength parallel ghost imaging technique, ghost holography with thermal light，as well as quantum holographic imaging technique based on interaction-free measurement. We hope our project can promote the application of ghost imaging technique, in areas such as remote sensing, single pixel cameras and new holographic imaging techniques.

鬼成像技术与传统的光学成像原理完全不同，它利用光场的涨落特性并通过关联测量来获取物体的信息。鬼成像技术容易获得被成像物体的振幅信息，可是一般情况下成像应用需要同时了解物体的振幅和位相信息，进而对物体进行三维成像，这对鬼成像技术而言是一个巨大的挑战。本项目拟围绕量子与经典关联全息成像进行深入和系统的研究，具体包括：首先以数字光投影仪结构化调制光为光源，采用单像素探测手段和关联测量方法，分析光源光强分布的正交性和探测系统量化噪声对鬼像质量的影响；探索多波长并行鬼成像方案并研究运动物体的三维鬼成像技术；然后实验上研究热光关联全息以及基于非接触探测的量子全息成像技术。运动物体的多波长并行鬼成像技术和关联全息成像技术可以为鬼成像技术的实用化，如遥感、单像素相机和新型全息成像技术提供理论和技术支持。

在过去的20余年中，量子成像一直是量子光学界感兴趣的课题。从最初被认为是量子幽灵的表现，到现在可在单光子和多光子任意情形下实现，除了科学上的好奇，量子成像能够提供一种新型的非定域成像模式，这种模式可能提供传统成像方法无法匹敌的性能属性。本项目在国家自然科学基金的支持下开展了量子纠缠光源和热光源的双光子关联成像、干涉和全息的深入研究以及其他相关研究，这些研究涉及纠缠或关联光子对的非定域特性和量子力学的基本问题，更新了经典光学现象的传统观念，也为开拓新的光信息技术和应用提供了可能。在项目执行期间, 我们开展和完成的主要研究成果有：提出了条件鬼成像中正负鬼成像的概率理论，并从理论和实验两方面详细分析了这些正负鬼成像的可见度和衬噪比，验证了在桶信号极度衰减的情况下仍能保持图像质量；在实验上实现了量子纠缠光源的非简并双光子杨氏双缝干涉和热光双光子干涉；在实验上用双光子纠缠源实现了量子亚瑞利超分辨成像；将光学参量信号放大技术引入热光关联成像中，完成了光参量增强的热光鬼成像；利用多波长复用技术提高鬼成像的信噪比。我们还开展了热光鬼成像质量影响因素研究和热光鬼成像中对比度与分辨率关系的普遍证明等基本问题的研究，为正确理解热光关联效应及其应用提供了依据。最后我们还进行了其他研究，如在理论上研究了光晶格中超冷量子气体局域化特性，提出了量子保密通讯容量增强与量子信道纠缠纯化的理论方案等。