纠缠光子对实现隐藏图像编码

索邦大学巴黎纳米科学研究所的研究人员开发出一种新方法，可将图像编码到光子对的量子相关性中，使其成为传统成像技术所无法看到的。这项研究发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。

纠缠光子在包括量子计算和密码学在内的各种量子光子学应用中发挥着至关重要的作用。这些光子可以通过非线性晶体中一种叫做自发参量下变频（SPDC）的过程产生。在 SPDC 过程中，来自高能量（蓝色）泵浦激光器的单光子会分裂成两个低能量（红外线）纠缠光子。

某些应用需要这些光子之间存在特定类型的量子相关性，因此对它们进行精确控制至关重要。这种控制可以通过调整泵浦激光器的特性，特别是其空间形状来实现。为了探索这种可能性，索邦大学巴黎纳米科学研究所的研究人员提出了一种方法，可以将纠缠光子的空间相关性结构化为给定物体的形状。

实验包括将待编码的物体放置在位于晶体之前的透镜的物平面上，然后使用第二个透镜将其成像到相机上（图 1a）。

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实验结果：a.实验装置。b.相机上的强度图像和c.相关图像。

在没有晶体的情况下，这个装置是一个传统的双透镜成像系统： 我们期望在摄像机上观察到物体的强度（倒置）图像。然而，在晶体存在的情况下，SPDC 会产生红外线纠缠光子对。

如果用光谱滤波器只选择这些光子对，那么在许多光子累积之后，相机上获得的光强看起来是均匀的，无法显示物体的任何信息（图 1b）。只有根据纠缠光子对之间的空间相关性重建物体图像（图 1c），物体图像才会重现，这涉及检测每个光子相对于其纠缠孪生光子的位置。

要重建这样的图像，需要一台单光子敏感相机和专门设计的算法，以识别每次采集中的光子重合点，并提取它们的空间相关性。

这样，最初由蓝色激光束传递的物体图像就转移到了光子对的空间相关性中。

该研究的第一作者、博士生Chloé Vernière解释说：“如果我们用通常的方法观察光束，一个一个地计算光子以形成图像，我们会觉得没有任何信息。但如果我们把注意力集中在光子的同时到达上，并分析它们的空间分布，就会发现一种模式。”

Chloé的论文导师、本研究的最后一位作者Hugo Defienne补充说：“我们实际上是在利用光的一个未充分开发的自由度--即光子之间的空间相关性--作为我们打印图像的画布。我们现在希望利用这种成像支持来开发密码学系统或散射介质成像。”

由于其灵活性和实验简便性，这种方法可以开发新的成像协议，并在量子通信和密码学等领域得到应用。

通过研究晶体的特性，甚至有可能在一束光子对中编码多幅图像。这些图像可以通过将照相机移动到不同的光学平面来显示，从而可以编码更多的信息。

相关链接：https://phys.org/news/2024-09-entangled-photon-pairs-enable-hidden.html

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.093601