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超表面启用量子边缘检测

由于设计的介电或金属架构,超颖表面提供了独特的平台来实现奇异现象,包括负折射,消色差聚焦和电磁隐蔽。超表面与量子光学的相交会带来重大的机会,有待探索。在现在发表在《科学进展》上的新报告中中美两国量子信息,纳米光电子器件和计算机工程领域的研究团队,周俊孝,刘世凯和一个研究团队提出并演示了一种偏振纠缠光子源。他们使用该源基于高度介电的超表面将成像系统中的光学边缘模式切换为ON或OFF状态。该实验丰富了量子光学和超材料的领域,成为具有显着信噪比的量子边缘检测和图像处理的有前途的方向。

结合量子纠缠和边缘检测

光子超表面是工程化金属或介电结构的二维(2-D)超薄阵列,可以促进对局部相位,振幅和极化的电磁场操纵。研究人员通常会为经典光学的各种应用开发这种功能。量子纠缠在量子光学中对于许多应用都是必不可少的,包括量子密码术,隐形传态,超分辨计量学和量子成像。最近的努力显示出一种趋势,将超表面与纠缠的光子结合在一起,可在量子光学中潜在应用。边缘检测是另一个有助于图像处理以定义图像中区域之间的边界。它是计算机视觉中用于医学成像预处理自动化的基本工具,并且是自动驾驶汽车的重要组成部分。启用超表面的边缘检测可用于量子光学中,以提供远程控制图像处理和加密的可能性。在这项工作中,Zhou等。因此实现了一种偏振纠缠光子源和高效能超表面的可切换光学边缘检测方法。组合策略在相同的光子通量水平(每单位面积每秒光子数)下显示出较高的信噪比(SNR)。

使用“薛定ding的猫”概念

周等。使用Schrödinger的cat概念来说明可切换量子边缘检测方案的预期性能。他们回顾了基于经典连续波(CW)照明的边缘检测的基本原理。在实验设置中,边缘检测成像臂独立于纠缠源和先驱臂,以及重合测量组件。当入射光子达到水平偏振状态时,照明光束穿过猫形光圈和经过工程改造的超表面,以水平移动的方式分离为左手和右手重叠的偏振图像。重叠的成分然后通过水平定向的分析仪以形成“实心猫”图像。但是,如果入射光子是垂直偏振的,则重叠的分量会重新组合为线性偏振的分量,该线性偏振的分量会被分析仪完全阻挡,从而仅形成猫的轮廓。

实验装置和偏振纠缠光子对

研究人员利用自发的参量下转换过程在嵌入Sagnac干涉仪中的20毫米长的II型相匹配的周期性极化的钛氧钛酸钾(KTiOPO 4 / PPKTP)晶体中,通过自发的参数下转换过程产生了偏振纠缠光子。他们将晶体的温度设置为17摄氏度,并使用两个宽带介电镜和一个双波长偏振分束器构成了自稳定的Sagnac干涉仪。然后,他们使用了连续波单频二极管激光器在405 nm处产生一个泵浦光束,该光束由一对具有最佳焦距的透镜聚焦,从而在晶体中心获得约40微米的束腰。为了平衡顺时针方向和逆时针方向的功率,Zhou等人。在Sagnac环前面使用了四分之一波片(QWP)和半波片(HWP)。

他们使用双波长偏振分束器,分离了由两个反向传播的光束泵浦的下转换光子对,分别送入成像臂,另一个送入先驱臂。周等。他还使用Pancharatnam-Berry相设计了用于装置中的超颖表面,并通过在二氧化硅平板中扫描飞秒脉冲激光来制造它。然后,使用扫描电子显微镜,他们观察了二氧化硅平板中的自组装纳米结构,并在强烈的激光辐照下显示了其起源,从而形成了超表面。该团队简要描述了从Signac环路产生的偏振纠缠简并光子对的量子态准备。他们使用了贝尔州(不可分离的量子纠缠的最简单的例子)通过调整实验装置来完成这项工作。周等。使用量子层析成像技术量化了双光子状态的纠缠质量并重建了双光子密度矩阵测量。

启用量子纠缠的量子边缘检测

在确认产生的偏振纠缠光子对的质量后,他们证明了可切换的量子边缘检测。为此,他们使用该装置准备了处于水平或垂直线性极化状态的光子,并将光子耦合到光纤中,然后将它们发送到边缘检测图像系统,以通过增强型电荷耦合器件照相机(ICCD)捕获最终的替代图像。 )。例如,Zhou等。获得了两个有微小偏移的重叠图像,其中偏移方向与超表面的相位梯度方向对齐。当他们增加超表面结构的周期时,他们减小了两个重叠图像之间的偏移,从而实现了高分辨率的边缘检测。量子边缘检测方案的另一个优势是其信噪比(SNR)高,团队可以显着降低设置中的环境噪声,其中噪声仅在很短的时间内累积。相反,在经典光学中,噪声将继续累积。作为概念证明,他们获得了具有出色SNR的边缘图像,以改进能够纠缠的实验性量子边缘检测。

外表

通过这种方式,周俊晓,刘世凯及其同事通过使用超表面滤波器和极化纠缠源结合了启用量子纠缠的量子边缘检测。超表面为超薄,轻巧的光学元件提供了精确设计的相位轮廓,从而获得了多种功能,从而形成了更加紧凑和集成的系统。该设置将帮助构想包括图像加密和隐写术在内的安全应用程序。该方法还提供了适合各种光子的诱人的信噪比(SNR)饥饿的成像和传感技术在生物医学中的应用,包括跟踪酶促反应和观察活生物体或光敏细胞。

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