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我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子超表面圖像邊緣探測(cè)實(shí)驗(yàn)研究中取得重要進(jìn)展：該團(tuán)隊(duì)史保森教授，周志遠(yuǎn)副教授等與湖南大學(xué)羅海陸教授和美國(guó)加利福尼亞大學(xué)Zhaowei Liu教授合作，利用高品質(zhì)偏振糾纏源和高效介質(zhì)超表面，實(shí)現(xiàn)了待檢測(cè)圖像狀態(tài)在正常模式和邊緣探測(cè)模式遠(yuǎn)程的開關(guān)切換，并且證實(shí)了在弱光場(chǎng)照明下，糾纏光子照明相對(duì)于直接單光子照明具有更高的信噪比。這項(xiàng)研究成果于2020年12月16日在線發(fā)表在美國(guó)《科學(xué)》雜志子刊《科學(xué)進(jìn)展》上[Sci. Adv. 6, eabc4385(2020)]。

光子超表面器件是利用二維超薄的金屬或者電介質(zhì)人工微結(jié)構(gòu)陣列實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)振幅、相位和偏振等自由度的調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)滿足需求的電磁場(chǎng)分布。量子糾纏是量子信息研究的重要資源，在量子密碼、隱形傳態(tài)、超分辨測(cè)量和量子關(guān)聯(lián)成像中具有重要的優(yōu)勢(shì)和潛在價(jià)值。最近幾年，超表面材料與量子光學(xué)結(jié)合成為一個(gè)重要的趨勢(shì)，通過(guò)超表面對(duì)電磁場(chǎng)強(qiáng)大的操控能力，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自旋軌道耦合多自由度糾纏態(tài)的制備與表征、多光子干涉與態(tài)重構(gòu)和多光子高維態(tài)的制備與自由調(diào)控。另一方面，邊緣探測(cè)是圖像處理過(guò)程中的一種常用手段，主要用于提取圖像的邊界，該方法被廣泛應(yīng)用于計(jì)算視覺、醫(yī)學(xué)影像自助表征和無(wú)人駕駛等領(lǐng)域。相較于傳統(tǒng)的數(shù)字邊緣提取方法，模擬邊緣提取方法具有更高的速度和更低的能耗。因此，研究者發(fā)明了多種模擬邊緣探測(cè)的方法，其中一種就是基于超表面材料。在量子糾纏照明下的超表面器件邊緣探測(cè)還沒有相關(guān)研究，光子間的糾纏特性將會(huì)給邊緣探測(cè)帶來(lái)新的可能性比如遠(yuǎn)程開關(guān)切換成像狀態(tài)和較高的信噪比（在弱光場(chǎng)照明條件下）。

史保森教授、周志遠(yuǎn)副教授等人長(zhǎng)期從事基于非線性過(guò)程的非經(jīng)典量子光源的制備與應(yīng)用相關(guān)研究，他們可以制備高品質(zhì)的多種類型的雙光子糾纏源，包括偏振糾纏、時(shí)間能量糾纏和軌道角動(dòng)量糾纏源等，糾纏源的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均處于國(guó)際先進(jìn)水平。湖南大學(xué)羅海陸教授和美國(guó)美國(guó)加利福尼亞大學(xué)Zhaowei Liu教授合作長(zhǎng)期開展高效率的電介質(zhì)超表面器件的設(shè)計(jì)制作和基于超表面的光場(chǎng)調(diào)控相關(guān)研究，并且在該領(lǐng)域取得許多重要成果。在該工作中，利用中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在偏振糾纏量子光源的制備與表征方面的優(yōu)勢(shì)以及合作者在高效率電介質(zhì)超表面上的研究?jī)?yōu)勢(shì)，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了量子超表面圖像邊緣探測(cè)，并且展示了量子糾纏光場(chǎng)照明下具有成像狀態(tài)遠(yuǎn)程可切換和具有較高的信噪比的特征。

在該工作中，用線偏振光照射超表面器件會(huì)發(fā)生光自旋霍爾效應(yīng)，從而使兩個(gè)圓偏振的出射光場(chǎng)在空間發(fā)生微小的平移，出射光場(chǎng)的中間部分的偏振態(tài)還是線偏振，邊緣部分是圓偏振，通過(guò)檢偏器可以提取待成像物體的邊緣輪廓。利用偏振糾纏光源中的一個(gè)光子進(jìn)行照明，由于該光子含有兩種可能的偏振狀態(tài)，在另外一個(gè)光子沒有進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，成像的狀態(tài)是未知的，通過(guò)測(cè)量另外一個(gè)光子的狀態(tài)，用于照明的光子的偏振狀態(tài)也會(huì)隨之確定，因此通過(guò)遠(yuǎn)程切換糾纏光子對(duì)中的用于觸發(fā)的光子的偏振狀態(tài)可以得到不同的成像效果，可以實(shí)現(xiàn)成像的模式在正常模式和邊緣探測(cè)模式的遠(yuǎn)程切換。此外，偏振糾纏光子在時(shí)間上也具有極高的關(guān)聯(lián)性，通過(guò)糾纏光源照明，并且利用符合探測(cè)的方式，我們證明了在極弱光場(chǎng)照明下，在單光子CCD采集的總等效光子數(shù)相同的情況下，基于糾纏照明和符合探測(cè)相對(duì)于直接照明探測(cè)具有更高的信噪比。

圖1.成像狀態(tài)切換示意圖和實(shí)驗(yàn)原理圖

圖2.不同偏振下成像效果圖和糾纏光子照明與單光子直接照明效果對(duì)比

該工作是量子超表面研究在圖像邊緣探測(cè)的一次嘗試，在圖像加密和隱寫上具有潛在的應(yīng)用，另外在光子照明匱乏的場(chǎng)景如酶反應(yīng)跟蹤與生物活體細(xì)胞的觀察上，較高的信噪比會(huì)表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)，該工作將會(huì)促進(jìn)更多的關(guān)于量子光學(xué)和超表面材料相結(jié)合的相關(guān)研究。

湖南大學(xué)博士生周軍曉和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生劉世凱為論文的共同第一作者。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)周志遠(yuǎn)副教授、湖南大學(xué)羅海陸教授、美國(guó)加利福尼亞大學(xué)Zhaowei Liu教授為論文的共同通信作者。這項(xiàng)工作得到國(guó)家基金委、中科院、科技部和安徽省重大研究專項(xiàng)的支持。

文章鏈接：

（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）