基于量子关联的鬼成像研究

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1、课题报告—基于量子关联的鬼成像研究项目编号201237小组成员刘猛丁立群李婷婷指导老师程维文报告日期2013-05-08一、摘要将实验产生的纠缠光子对分成两路，若在其中一支放置物体，通过记录两条光路的符合计数，则可在另一支光路中得到物体清晰的像，这种成像技术称为关联成像或“鬼”成像。近年来的理论与实验已证明，无论是自发参量下转换得到的纠缠双光子光源还是应用更为广泛的经典热光源（如：太阳光），都可以实现“鬼”成像。由于经典热光源更普遍地存在于我们的生活中，用其实现的关联成像技术，将是一门更为实用的技术，具有更广泛的前景。所以我们应用LabView，

2、模拟了经典热广场下的鬼成像过程。仿真中，通过将相互独立的随机光叠加制造出非相干热光源，然后热光源被分束器分成两路，此时，物体用的空间分布矩阵表示，物体的空间分布信息被载荷上信号光的相位上，通过两路光路的符合计数，可在闲置光路中可获得物体的像。数值仿真表明，随着采样分辨率的增加以及采样点数的增加，鬼成像的成像质量明显改善，其中采样点数的增加作用更加明显。一、引言2.1课题研究问题①由自发参量下转换（SPDC）得到的纠缠光源如何实现“鬼”成像；②经典热光“鬼”成像原理及其成像过程；③如何利用LabView对经典热光“鬼”成像进行仿真；④在成功进行仿真

3、后如何进行改进以提高图像的清晰度.2.2课题研究背景关联成像(correlatedimaging)又称双光子成像(two-photonimaging)或“鬼”成像(ghostimaging),是一种利用双光子符合探测恢复待测物体空间信息的一种新型成像技术,近年来由于其奇特的非局域性质和可以突破衍射极限等性质受到人们的关注,但是很多涉及其物理本质的问题也引起了人们的争论。1995年，YanhuaShih等人利用自发参量下转换得到的纠缠光子对完成了一种奇特的成像实验——鬼成像（ghostimaging）[1]。实验中将产生的光分成两道光路，在其中一个

4、光路中放置待成像的物体，在这个光路中测量单个光路的强度分布不能得到这个物体的像，然而通过记录两道光路的符合计数（coincidencemeasurement）在另一条光路中却得到了清晰的物体的像。鬼成像实验中令人惊奇的地方在于，虽然单道光路（信号光或闲置光路）由于波矢的随机分布湮灭了成像物体或双缝的空间分布信息，但是通过符合测量，可以把它们的分布信息提取出来。2001年,AymanF.Abouraddy等人的理论工作指出,量子纠缠是双光子关联成像的必备条件,任何经典统计关联的双光子,无论关联多强,都无法获得关联像。然而“鬼”成像是否真的是量子纠缠

5、引起的效应,经典关联的光是否真的永远无法完成关联成像实验,这样的问题引发了人们的思考。2002年，Rochester大学的Bennink等人巧妙利用一个随机旋转的反射镜反射激光，得到了和量子符合成像类似的结果。对于为什么经典光源可以实现“鬼成像”，文献并没有给出明确的理论解释，然而这个工作却引起了很大的关注。Bennink等人的模拟实验和历史上定域实在论的两粒子纠缠模型十分接近，两个实验背后的物理理论支持有很大的不同，双光子的振幅几率和振幅的相关叠加是不可能在经典领域内模拟的。但是根据理论提出采用宏观的多光子探测也可以实现“鬼成像”。同期，曹德忠

6、和汪凯戈在研究高增益的Ⅰ型下转换晶体的亚波长效应时，发现了两类亚波长干涉。从非线性晶体发出的下转换光照亮双缝，由分光镜分成两束投射到两个探测平面上，光场在探测平面的联合强度关联项中，除了存在纠缠光亚波长干涉的二阶关联项，还有一个与纠缠光类似的新的关联项，其后的研究发现这是经典热光的关联效应。2004年Bennink等人又通过经典相关光重现了物体的衍射图，在实验中改变了实验装置（成像物体的位置，甚至棱镜设备）。到底在经典相关光鬼成像和鬼干涉实验中，光的什么特性是实现这个实验的必要条件？讨论中一度认为只有纠缠光才能完全同时做到近场和远场的空间关联（位

7、置和动量都关联的光子），由于测不准原理，没有任何经典光可以做到这点。2004年的实验中，明确指出了参量下转换产生的纠缠光子对所形成的EPR态实现了动量和位置的关联，这种动量和位置纠缠性质是任何经典光（非纠缠光）的关联性所不能达到的。在这些结果的基础上，可以认为理想的纠缠光源具有的关联性——在位置和动量同时存在相关性，这种特性使它可以在任意的像平面上得到高质量的符合像，然而经典光并不具备这样的性质。同时一些文献还讨论了纠缠光鬼成像实验方案，认为它可以得到比任何经典关联光束更高质量的关联像。但是很快，理论上提出用热光可以实现远场和近场的鬼成像，经典的

8、非相干光除了可见度比较低以外，可以模拟量子成像所有的相关特性，文献进一步讨论了热光关联成像的高斯透镜成像公式。上海光机所的程静、韩申生从