劉 攀,宋新兵,楊家之,吳清源,張安寧

（1.北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心,北京 100081;2.北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子調(diào)控與應(yīng)用研究中心,北京 100081)

0 引言

量子成像是一種利用光子間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行成像的新技術(shù),也稱 “鬼”成像、關(guān)聯(lián)成像。量子成像這一范疇,包括基于糾纏光源的量子成像、基于經(jīng)典光源的量子成像、主動(dòng)光場調(diào)制的量子成像等三大技術(shù)路線。

量子成像最基本的框架是:光源發(fā)出的光被分為兩路,其中一路光經(jīng)過待成像物體,并由一個(gè)無空間分辨能力的單探測器在物體后方接收信號(hào),這路常被稱為信號(hào)光路;另外一路光被一個(gè)具有空間分辨能力的探測器接收,該路常被稱為參考光路。對(duì)兩路探測器接收到的信號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算,就能得到物體的圖像?；诩m纏光源和經(jīng)典光源的量子成像都是基于這一框架的。而主動(dòng)光場調(diào)制的量子成像使用了傳統(tǒng)量子成像研究中發(fā)展出的一種新的量子技術(shù)——光場調(diào)制技術(shù),它使量子成像上升到了一個(gè)新的臺(tái)階,并發(fā)展出了單像素成像、單光子掃描成像和非視域成像三種新型成像方式。

本文將以量子成像的三大技術(shù)路線為主要線索,來回顧量子成像技術(shù)的起源和發(fā)展歷程,綜述量子成像技術(shù)的前沿進(jìn)展,展望量子成像技術(shù)的未來。

1 量子成像的起源和主要發(fā)展歷程

量子成像誕生之初僅指的是基于糾纏光源的量子成像,它由美國Maryland大學(xué)的史硯華團(tuán)隊(duì)在1995年首次實(shí)現(xiàn)[1]。如圖1（a)所示,激光泵浦BBO晶體產(chǎn)生糾纏光子對(duì),兩個(gè)光子被分開后,其中一個(gè)光子通過物體,并被放置在信號(hào)光路的無空間分辨能力的桶探測器所檢測;另一個(gè)光子被放置在參考光路的平面掃描裝置來探測。只單獨(dú)探測其中一路的光子是無法恢復(fù)出物體圖像的,然而當(dāng)兩路進(jìn)行雙光子符合測量時(shí),竟奇跡般地復(fù)現(xiàn)出了高對(duì)比度的物體圖像,如圖1（b)所示。這項(xiàng)違反人們直覺的實(shí)驗(yàn),證實(shí)了糾纏的雙光子具有非定域成像的特性。這種基于糾纏光的量子成像方式具有高對(duì)比度的優(yōu)點(diǎn),但由于糾纏光難以制備且糾纏光源亮度低、探測效率低、易受雜散光影響等因素,糾纏光量子成像在實(shí)驗(yàn)室以外的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用受到了限制。

圖1 糾纏光量子成像原理圖與實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.1 Schematic diagram and experiment results of quantum imaging with entangled light

隨著研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)糾纏的雙光子并不是量子成像的必要條件,非相干的經(jīng)典光源也可以實(shí)現(xiàn)量子成像。2002年,美國Rochester大學(xué)的Boyd團(tuán)隊(duì)利用由隨機(jī)旋轉(zhuǎn)的反射鏡和斬波器調(diào)制的激光光場得到了與糾纏光量子成像相似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[2],實(shí)驗(yàn)的光路圖如圖2所示。該實(shí)驗(yàn)首次利用經(jīng)典光之間的關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了量子成像,使經(jīng)典光量子成像也被囊括進(jìn)量子成像的范疇之內(nèi)。2005年,美國Maryland大學(xué)的史硯華與意大利Insubria大學(xué)的Lugiato幾乎同時(shí)實(shí)現(xiàn)了贗熱光量子成像[3-4],尤其是Lugiato實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的量子成像。同年,中科院物理所的吳令安團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了真熱光的量子成像[5],使用的是銣燈光源。（贗)熱光量子成像所需的熱光光源容易獲取,且具有抗湍流、穿云霧的能力,這使得（贗)熱光量子成像具有廣闊的發(fā)展前景。

圖2 經(jīng)典光量子成像原理圖Fig.2 Schematic diagram of quantum imaging with classical light

傳統(tǒng)的贗熱光量子成像必須在參考光路放置陣列探測器來記錄散斑圖案,且須對(duì)兩路光進(jìn)行符合測量,如圖3（a)所示。2009年,以色列Weizmann科學(xué)院的Silberberg團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了計(jì)算量子成像[6]。實(shí)驗(yàn)中,他們用了一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator,SLM)來預(yù)置照射在物體上的光場分布,如圖3（b)所示。這種方法照射到物體上的散斑圖案已知,所以無需參考光路及陣列探測器。由于光場是主動(dòng)加載的而不是隨機(jī)生成,并且單探測器的響應(yīng)速度快,計(jì)算量子成像的方式大大降低了采樣的時(shí)間,提高了成像的速度。

圖3 傳統(tǒng)量子成像與計(jì)算量子成像的對(duì)比Fig.3 Comparison between traditional quantum imaging and computational quantum imaging

關(guān)于量子成像的物理本質(zhì),曾引發(fā)過學(xué)術(shù)界的激烈爭論,學(xué)者們爭論的焦點(diǎn)為:經(jīng)典光量子成像究竟是一種量子非局域效應(yīng)還是經(jīng)典關(guān)聯(lián)效應(yīng)。最激烈的爭論還要數(shù)2012年Shapiro、Boyd和史硯華三人曾圍繞著這一焦點(diǎn)連發(fā)三篇文章展開的辯論[7-9]:Shapiro和Boyd認(rèn)為,贗熱光量子成像是由信號(hào)光路與參考光路的經(jīng)典散斑圖案的關(guān)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)的,可以利用經(jīng)典的關(guān)聯(lián)理論來定量解釋;而史硯華認(rèn)為,贗熱光量子成像本質(zhì)上是一種量子效應(yīng),信號(hào)光路與參考光路的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)成像關(guān)聯(lián)性來自于一種非局域干涉效應(yīng),必須用量子力學(xué)的非局域效應(yīng)才能得以解釋。至今,人們普遍認(rèn)為糾纏光量子成像的本質(zhì)是糾纏光的非局域特性所致,而對(duì)于經(jīng)典光量子成像本質(zhì)的爭論仍在持續(xù)。

2 量子成像技術(shù)前沿進(jìn)展

2.1 基于糾纏光源的量子成像

2014年,奧地利科學(xué)院的Zeilinger團(tuán)隊(duì)完成了一種新型的糾纏光量子成像實(shí)驗(yàn)[10]。實(shí)驗(yàn)中,他們沒有對(duì)糾纏光中照射到物體一路的光子進(jìn)行檢測,而僅僅使用CCD探測了另一路的光子,不需要進(jìn)行符合測量即可構(gòu)建出物體的圖像。圖4（a)為實(shí)驗(yàn)光路圖,532nm 的激光（在圖 4（a)中為綠色)被分為兩路,分別泵浦非線性晶體1和2,參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了810nm的信號(hào)光（在圖4（a)中為黃色)和1550nm的閑置光（在圖4（a)中為紅色)。非線性晶體1產(chǎn)生的閑置光通過物體,在二向色鏡2反射后與非線性晶體2產(chǎn)生的閑置光重合,最后從二向色鏡5出射的閑置光無法分辨是從哪個(gè)晶體產(chǎn)生,因此入射到分束器的兩束包含物體信息的信號(hào)光會(huì)在EMCCD上發(fā)生干涉,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4（b)所示。圖4（b)中,左上角為EMCCD探測到的顯示入射到分束器的兩束信號(hào)光相長和相消的干涉圖案,右上角為物體,左下角與右下角為將左上角中兩強(qiáng)度圖相加和相減之后的結(jié)果。

圖4 新型糾纏光量子成像的實(shí)驗(yàn)光路圖與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental setup and results of novel quantum imaging with entangled light

具有螺旋波前的渦旋光束,于1992年被Allen等證實(shí)其中的每個(gè)光子都攜帶有軌道角動(dòng)量[11],在提高信道容量方面有良好的應(yīng)用前景。2014年,廈門大學(xué)的陳理想等將數(shù)字螺旋成像技術(shù)應(yīng)用于糾纏光量子成像[12],通過在信號(hào)光路上用一SLM加載所需探測的相位物體并生成渦旋光,在參考光路用另一SLM加載相位物體作為渦旋光探針,兩路做符合測量,成功實(shí)現(xiàn)了純相位物體的非定域探測和渦旋光軌道角動(dòng)量譜的非定域測量,圖5為其實(shí)驗(yàn)原理圖。

圖5 量子數(shù)字螺旋成像實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.5 Schematic diagram of quantum digital spiral imaging experiment

光纖因其頻帶寬、損耗低、質(zhì)量小、成本低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域。但由于單模光纖難以實(shí)現(xiàn)位置-位置或動(dòng)量-動(dòng)量的關(guān)聯(lián)分布,利用光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的糾纏光量子成像一直以來都是一個(gè)難題。2016年,清華大學(xué)的張巍等提出了一種通過光纖傳輸來實(shí)現(xiàn)長距離糾纏光量子成像的方法[13]。這種方法利用時(shí)間色散和空間色散,巧妙地將光子的頻率關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)換為了傳播時(shí)間與傳播方向的關(guān)聯(lián),從而能夠在時(shí)域上實(shí)現(xiàn)糾纏光量子成像。之后,他們通過50km長的光纖完成了長距離糾纏光量子成像的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖6所示,糾纏光源產(chǎn)生具有頻率關(guān)聯(lián)的光子對(duì),分別傳給Alice端和Bob端,在Alice端通過光柵進(jìn)行空間色散,在Bob端通過光纖的群速色散來進(jìn)行時(shí)間色散,兩端分別用單光子探測器1和2檢測光子,并進(jìn)行符合測量。

圖6 長距離光纖量子成像實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.6 Schematic diagram of long-distance optical fiber quantum imaging experiment

2020年,廈門大學(xué)的陳理想團(tuán)隊(duì)提出了一套多信道并行量子成像的方案[14]。與以往只利用雙光子空間糾纏的量子成像不同,他們的成像方案是使光子對(duì)在偏振、頻率和空間模式上同時(shí)發(fā)生糾纏。他們利用偏振和頻率的糾纏來進(jìn)行信道的復(fù)用,并通過空間模式糾纏在每個(gè)信道并行傳輸物體的 “鬼”像,從而擴(kuò)大了信道容量,實(shí)現(xiàn)了多信道的并行量子成像,這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)將為未來量子通信領(lǐng)域中大規(guī)模的圖像處理和傳輸開創(chuàng)新途徑。

2.2 基于經(jīng)典光源的量子成像

使用多種經(jīng)典熱光源來實(shí)現(xiàn)量子成像有著重要的意義。但在2014年以前,無論是使用旋轉(zhuǎn)毛玻璃的贗熱光量子成像,還是使用銣燈的真熱光量子成像,都是使用人造光源來實(shí)現(xiàn)的。2014年,中科院物理所的吳令安等首次利用太陽光這一自然光源實(shí)現(xiàn)了無透鏡量子成像[15],成像原理圖如圖7所示。由于太陽光是一種易獲取、廉價(jià)的熱光源,這項(xiàng)研究使得熱光量子成像技術(shù)從實(shí)驗(yàn)到實(shí)際應(yīng)用更近了一步。

圖7 太陽光無透鏡量子成像原理圖Fig.7 Schematic diagram of lensless quantum imaging with sunlight

近年來,因材料成像和醫(yī)學(xué)成像的需求,研究人員探索了使用X射線作光源的量子成像。2016年,中科院上海光機(jī)所的韓申生等首次使用X射線實(shí)現(xiàn)了量子成像[16]。首先,他們用贗熱硬X射線通過Fourier變換量子成像的方法得到了樣品的Fourier變換衍射圖樣,并得到了樣品在坐標(biāo)空間的振幅和相位的分布圖。他們的X射線無透鏡Fourier變換量子成像方法不光可以用于晶體樣品,也可適用于非晶體樣品。與韓申生幾乎同時(shí)地,2016年,澳大利亞皇家Melbourne理工大學(xué)的Pelliccia等首次使用硬X射線直接實(shí)現(xiàn)了量子成像[17],為醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中減少輻射對(duì)樣品的損傷提供了一種新的方法。

由于較高的光子能量會(huì)嚴(yán)重?fù)p害成像物體,在保證圖像質(zhì)量的同時(shí)降低輻射量是一個(gè)亟待解決的問題。2018年,中科院物理所的吳令安團(tuán)隊(duì)利用一個(gè)簡單的桌面X射線源實(shí)現(xiàn)了平面物體和自然物體的量子成像[18]。這種新裝置成本低,操作簡單,在低輻射量下與X射線投影成像相比具有更高的信噪比,可以實(shí)現(xiàn)超低通量的成像,從而大大降低了對(duì)生物樣品的輻射損傷。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體的量子成像,短時(shí)間內(nèi)采樣數(shù)的不足常使成像質(zhì)量模糊。2014年,中科院上海光機(jī)所的李恩榮團(tuán)隊(duì)提出了一種對(duì)運(yùn)動(dòng)速度未知的物體量子成像方法[19],但這種方法只能對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)的物體成像。2019年,國防科技大學(xué)的劉偉濤團(tuán)隊(duì)提出,可以通過一系列不清晰的圖像之間的關(guān)聯(lián)來估計(jì)運(yùn)動(dòng)物體的位移信息,從而重建運(yùn)動(dòng)物體的高質(zhì)量圖像[20]。他們巧妙利用運(yùn)動(dòng)物體的一些特點(diǎn),將短時(shí)間內(nèi)的物體視為準(zhǔn)靜止,先經(jīng)過少量采樣獲得模糊圖像,用不同時(shí)段模糊圖像的關(guān)聯(lián)性獲得物體的位移,再將模糊圖像根據(jù)位移來疊加從而得到清晰圖像,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。這種成像方法需要的采樣數(shù)較少,可對(duì)高速移動(dòng)的物體或暗環(huán)境下的物體進(jìn)行采樣與成像。

圖8 運(yùn)動(dòng)物體量子成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.8 Experiment results of quantum imaging of moving objects

2019年,英國Exeter大學(xué)的Bertolotti等進(jìn)行了 “盲”量子成像的實(shí)驗(yàn)[21]。在 “盲”量子成像提出之前,人們普遍認(rèn)為,計(jì)算量子成像需要知道全部的照明模式才行,如果所有照明模式形成一組基,就可以重建物體的像。但是,Bertolotti等的實(shí)驗(yàn)證明,可以在不知道照射在物體上的散斑圖案,但知道與它關(guān)聯(lián)的圖案的情況下實(shí)現(xiàn)量子成像。如圖9所示,散射層是液體,產(chǎn)生隨時(shí)間隨機(jī)變化的散斑圖樣,反射散斑圖形成在散射介質(zhì)的表面,并使用CCD記錄散斑,在物體后方使用單像素的桶探測器進(jìn)行記錄。除此之外,他們還在實(shí)驗(yàn)上只利用沒有與物體發(fā)生相互作用的反射光,重建了隱藏在散射介質(zhì)后面的物體的圖像,實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體的非侵入式探測。如圖10所示,分辨率模板放置在散射材料的后面,在它的后方有一個(gè)熒光層作為物體,在450nm的激光下產(chǎn)生500nm以上的熒光,反射的散斑和熒光分別由CCD和桶探測器收集。

圖9 兩探測器在物體不同側(cè)的 “盲”量子成像Fig.9 Blind quantum imaging of two detectors on different sides of the object

圖10 兩探測器在物體同一側(cè)的 “盲”量子成像Fig.10 Blind quantum imaging of two detectors on the same side of the object

2019年,中科院上海光機(jī)所的韓申生和上海高等研究院的王中陽等開發(fā)出了基于稀疏約束量子成像的單幀寬視場納米顯微鏡[22]。這種量子成像納米顯微鏡通過壓縮感知重建物體的像,利用熒光發(fā)射的稀疏性,成像分辨率被成功提高到了80nm,并且可以實(shí)現(xiàn)超快的時(shí)間分辨,因此可用于活細(xì)胞的觀察和微觀動(dòng)力學(xué)的研究。

2.3 主動(dòng)光場調(diào)制的量子成像

計(jì)算量子成像中所使用到的光場調(diào)制技術(shù)為成像和探測提供了一種全新的思路。人們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn),通過光場調(diào)制這一新的量子技術(shù),利用SLM或者掃描振鏡來調(diào)制照射光場或探測光場并結(jié)合算法,可以在欠采樣的情況下進(jìn)行成像或是實(shí)現(xiàn)超越傳統(tǒng)成像技術(shù)探測能力極限的成像,進(jìn)而衍生出了單像素成像、單光子掃描成像和非視域成像三種新技術(shù)。這三種成像技術(shù)之間的關(guān)系并不是相互割裂的,而是可以相互融合,相互包含,互通有無。

（1)單像素成像技術(shù)

隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步,相機(jī)所使用的陣列感光器件已達(dá)到上千萬甚至上億的像素。但是,逐漸增加的像素?cái)?shù)量也加重了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移的負(fù)擔(dān)。而單像素成像技術(shù)使用僅有一個(gè)像素的探測器,就能實(shí)現(xiàn)成像的功能。相比于陣列探測器,單像素探測器的響應(yīng)速度極快,并且靈敏度高。單像素成像的技術(shù)路線有前調(diào)制型和后調(diào)制型兩種。如圖11所示,前調(diào)制型（也稱結(jié)構(gòu)照明)是在物體前放置SLM,用一組調(diào)制后的結(jié)構(gòu)光照射物體,在物體后用單像素探測器記錄光強(qiáng),這種成像方式也就是上文中介紹過的計(jì)算量子成像;后調(diào)制型（也稱結(jié)構(gòu)探測)則為在物體后放置SLM,探測器用來接收一組被調(diào)制后的物體像的光強(qiáng)[23-24]。

圖11 基于SLM的兩種單像素成像方案Fig.11 Two schemes of single-pixel imaging based on SLM

一般而言,單像素成像的數(shù)據(jù)采集過程需要耗費(fèi)相當(dāng)長的時(shí)間。2009年,以色列Weizmann科學(xué)院的Katz等提出了基于壓縮感知的單像素成像的方法[25],壓縮感知的方法可以在欠采樣的情況下重建物體的圖像。在單像素成像時(shí),一般將待成像物體的二維圖像看作矩陣,并將不同行首尾相接轉(zhuǎn)換為列向量x。如果將采樣矩陣設(shè)為A,A的每一行相對(duì)于向量x,為照射在物體上的掩模圖案。當(dāng)不同掩模照明時(shí),探測器接收到的光強(qiáng)構(gòu)成列向量y,則有

在欠采樣的情況下,式（1)所表示的線性方程組顯然有無數(shù)組解,這時(shí)候就需利用圖像的稀疏性等條件進(jìn)行約束,即可解出列向量x,這就是壓縮感知的方法[26-27]。SLM所調(diào)制的照明圖案一般選擇正交的基底,如Fourier基底、Hadamard基底、余弦基底、小波變換基底等。

單像素成像技術(shù)也可用于三維成像。相比于二維的單像素成像,三維單像素成像除記錄光強(qiáng)外,還需獲取光子的到達(dá)時(shí)間信息,進(jìn)而通過關(guān)聯(lián)運(yùn)算的方法得到場景中每一點(diǎn)的深度信息和反射率[28]。2016年,英國Glasgow大學(xué)的Padgett等使用結(jié)構(gòu)光照明和單像素探測器,利用飛行時(shí)間進(jìn)行了第三維度的測量,實(shí)現(xiàn)了高精度的三維單像素成像,精確度可達(dá)到約3mm,并能夠生成12Hz的實(shí)時(shí)三維視頻[29],實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 三維單像素成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Experiment results of 3D single-pixel imaging

在水下環(huán)境中,介質(zhì)中雜質(zhì)的吸收和散射會(huì)嚴(yán)重影響遠(yuǎn)距離光學(xué)成像的性能。2017年,西安交通大學(xué)的鄭淮斌等設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究了在水下環(huán)境中不同渾濁程度和不同角度下結(jié)構(gòu)照明式單像素成像的性能[30]。他們的實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)水質(zhì)相當(dāng)渾濁以至于傳統(tǒng)的光學(xué)方法無法成像時(shí),單像素成像仍然可以具有相當(dāng)不錯(cuò)的成像效果。

在以往結(jié)構(gòu)光照明的方案中,通常是采用SLM或數(shù)字微鏡（Digital Micromirror Device,DMD)來進(jìn)行調(diào)制。其中,DMD的調(diào)制速率最快,約為幾十千赫茲（kHz)。2018年,北京航空航天大學(xué)的孫鳴捷等提出了基于超高速發(fā)光二極管（Light-emitting Diode,LED)的結(jié)構(gòu)照明技術(shù),并利用此技術(shù)完成了單像素成像實(shí)驗(yàn)[31],成像原理圖如圖13所示。LED具有高速響應(yīng)的特性,在他們實(shí)驗(yàn)中能以500kHz的速率來高速調(diào)制照明光場,這遠(yuǎn)大于DMD的調(diào)制速率,極大地提升了結(jié)構(gòu)照明單像素成像的速度,在連續(xù)成像實(shí)驗(yàn)中的幀率可達(dá)1000fps。

圖13 基于LED結(jié)構(gòu)照明的單像素成像原理示意圖Fig.13 Schematic diagram of single-pixel imaging based on LED structure illumination

2020年,北京理工大學(xué)的張安寧團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的光子作為單光子源,采用DMD對(duì)單光子波包進(jìn)行調(diào)制,分別實(shí)現(xiàn)了單光子作為光源的前調(diào)制型和后調(diào)制型單像素成像[32]。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)光源亮度低至0.01光子/像素時(shí),依然可以完成單像素成像,在光照強(qiáng)度相同的情況下,單光子作為光源的成像質(zhì)量要優(yōu)于激光光源的。圖14（a)為成像模板,圖14（b)為不同光子數(shù)下后調(diào)制型單像素成像的結(jié)果,圖14（c)為不同光子數(shù)下前調(diào)制型單像素成像的結(jié)果。其中,圖14（b)與圖14（c)中右側(cè)成像結(jié)果的光強(qiáng)低至0.01光子/像素。

圖14 成像模板與單光子單像素成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Imaging template and experiment results of single-photon single-pixel imaging

2020年,上海交通大學(xué)的曾貴華等開發(fā)了一種新型的結(jié)構(gòu)探測式弱光單像素成像技術(shù)[33]。這項(xiàng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在信號(hào)采集時(shí)每一幀只需要發(fā)射一個(gè)激光脈沖,并具有較高的光子效率和成像質(zhì)量。同時(shí),他們利用這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了100km合作目標(biāo)和3km非合作目標(biāo)的遠(yuǎn)距離成像,成像光強(qiáng)低至0.01光子/像素。其中,100km的成像結(jié)果如圖15 所示。

圖15 弱光單像素100km成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.15 Experiment results of weak light single-pixel 100km imaging

（2)單光子掃描成像技術(shù)

單光子掃描成像技術(shù)利用激光器主動(dòng)發(fā)射激光到目標(biāo)物體上,使用掃描振鏡調(diào)制光場來對(duì)物體表面各點(diǎn)進(jìn)行掃描,通過探測和處理物體的散射光信號(hào),即可得到物體的反射率和深度信息,從而重建出物體的三維圖像。當(dāng)目標(biāo)物體距探測系統(tǒng)較遠(yuǎn)時(shí),從目標(biāo)返回的光強(qiáng)將低至單光子的水平,需要利用單光子雪崩二極管（Single Photon Avalanche Diode,SPAD)進(jìn)行探測。單光子探測技術(shù)不僅可以使探測靈敏度達(dá)到單光子的水平,而且可以達(dá)到皮秒（ps)級(jí)的時(shí)間分辨率,這些使得單光子掃描成像技術(shù)兼具優(yōu)秀的探測性能和距離分辨能力。

2020年,中科大的徐飛虎團(tuán)隊(duì)使用1550nm的脈沖激光器和掃描振鏡,采用亞像素掃描的方法在45km的距離上完成了有源單光子三維成像的實(shí)驗(yàn)[34],實(shí)驗(yàn)中探測到的信號(hào)強(qiáng)度低至平均約1光子/像素。為了克服只有極少返回的光子以及信號(hào)與強(qiáng)噪聲耦合的困難,他們構(gòu)建了一套高效率低噪聲的同軸單光子掃描成像系統(tǒng),并開發(fā)了一套適用于遠(yuǎn)距離單光子掃描成像的重建算法。圖16（a)與圖16（b)分別為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖和重建結(jié)果,建筑物上0.6m寬的窗戶在重建結(jié)果中清晰可見。

圖16 45km遠(yuǎn)距離三維單光子掃描成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與重建結(jié)果Fig.16 Experiment system and reconstruction result of 45km long-distance 3D single-photon scanning imaging

2021年,該團(tuán)隊(duì)又實(shí)現(xiàn)了201.5km的遠(yuǎn)距離三維單光子掃描成像[35],平均每像素接收到的光子數(shù)低至0.44。相比于之前的45km的單光子掃描成像,他們對(duì)SPAD進(jìn)行了改造,使用制冷器將負(fù)反饋雪崩二極管冷卻至173K,以實(shí)現(xiàn)較低的暗計(jì)數(shù)率。其次,他們對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了鍍膜處理,實(shí)現(xiàn)了1550nm的高透射率。同時(shí),他們采用先進(jìn)的噪聲抑制技術(shù),開發(fā)了一種時(shí)間濾波方法來抑制噪聲。201.5km的單光子掃描成像結(jié)果如圖17所示。

圖17 201.5km單光子掃描成像的重建結(jié)果Fig.17 Reconstruction results of 201.5km single-photon scanning imaging

（3)非視域成像

非視域成像是一種對(duì)觀察者視域之外的物體進(jìn)行成像的方式,基本原理是:主動(dòng)發(fā)射一束光,通過墻和隱藏物體的多次漫反射探測返回來的光子。如圖18所示[36],簡單來說,激光首先打到墻上,經(jīng)過漫反射過程而彌散到整個(gè)空間（第一次漫反射),然后光打到隱藏的物體上,再從隱藏的物體返回（第二次漫反射),然后通過墻回來（第三次漫反射)而被探測器接收,之后配合計(jì)算成像的算法對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行處理,即可重建物體的圖像。非視域成像技術(shù)將在軍事反恐、自動(dòng)駕駛、災(zāi)害救援、醫(yī)學(xué)檢測等方面具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

圖18 非視域成像場景示意圖(俯視圖)Fig.18 Schematic diagram of non-line-of-sight imaging scene(top view)

2018年,美國Stanford大學(xué)的O，Toole等提出了基于光錐變換的共焦非視域成像方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜目標(biāo)物的快速重建[37],實(shí)驗(yàn)裝置和重建結(jié)果如圖19所示。他們的成像算法通過Wiener濾波降低了噪聲,具有較高的重建質(zhì)量和較快的重建速度。

圖19 共焦非視域成像實(shí)驗(yàn)裝置與重建結(jié)果Fig.19 Experiment setup and reconstruction results of confocal non-line-of-sight imaging

2019年,英國Glasgow大學(xué)的Musarra等通過使用高效率的SPAD探測器和DMD,將反投影成像算法與從單像素相機(jī)所獲取的高分辨率飛行時(shí)間信息相結(jié)合,對(duì)隱藏場景的三維圖形進(jìn)行了全彩色成像[38],圖20為他們的實(shí)驗(yàn)原理示意圖。

圖20 使用DMD的非視域成像原理圖Fig.20 Schematic diagram of non-line-of-sight imaging using DMD

2021年,中科大的徐飛虎團(tuán)隊(duì)研制了一種高效率低噪聲的近紅外非視域成像系統(tǒng),并創(chuàng)新采用了一種凸優(yōu)化算法,實(shí)現(xiàn)了超過1.43km的非視域成像[39],可達(dá)到厘米（cm)級(jí)別的分辨率,這項(xiàng)成果對(duì)于非視域成像在戶外和遠(yuǎn)距離上的應(yīng)用有著重大意義。

3 量子成像新方案——基于非光子粒子的量子成像

2016年,澳大利亞國立大學(xué)的Truscott團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了使用大質(zhì)量粒子的量子成像[40]。在他們的實(shí)驗(yàn)中,用于量子成像的不是通常使用的糾纏光子對(duì),而是具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)的原子對(duì)。這兩個(gè)強(qiáng)關(guān)聯(lián)原子是由兩個(gè)Bose-Einstein凝聚體碰撞所形成的s波散射產(chǎn)生的超冷亞穩(wěn)態(tài)氦原子對(duì),并在實(shí)驗(yàn)中使用高階Kapitsa-Dirac散射大量產(chǎn)生,利用這些原子對(duì)重建了亞毫米級(jí)別分辨率的清晰圖像。原子的量子成像示意圖如圖21所示,在碰撞中產(chǎn)生兩束關(guān)聯(lián)原子對(duì),一束原子通過待成像物體O由桶探測器B檢測;另一束原子不與物體相互作用,而是由多像素探測器M檢測其到達(dá)平面的位置,之后裝置C經(jīng)過符合測量和計(jì)算,重建物體的圖像。這些實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)基于大質(zhì)量粒子的EPR糾纏實(shí)驗(yàn)以及檢驗(yàn)Bell不等式等,以驗(yàn)證量子力學(xué)的基本原理。

圖21 基于原子的量子成像實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.21 Schematic diagram of quantum imaging based on atoms

在這之后,2018年,美國SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的Li等通過調(diào)制產(chǎn)生電子束的激光來間接調(diào)制電子束,實(shí)現(xiàn)了由電子代替光子的量子成像[41]。與使用電子束直接成像相比,該方法擁有更少的電子束劑量,能減少采樣時(shí)間和對(duì)樣品的損傷。2020年,澳大利亞國立大學(xué)的Kingston等利用中子完成了量子成像的實(shí)驗(yàn)[42]。中子具有不帶電、波長短、穿透性強(qiáng)、對(duì)輕元素靈敏等特性,因而中子的量子成像在高分辨率無損檢測中具有重要意義。

4 總結(jié)與展望

量子成像技術(shù)是一種物像分離、抗干擾能力強(qiáng)的成像技術(shù)。本文回顧了量子成像技術(shù)的起源及主要發(fā)展歷程,綜述了近8年糾纏光源和經(jīng)典光源量子成像技術(shù)的主要進(jìn)展,介紹了由光場調(diào)制技術(shù)衍生出的單像素成像、單光子掃描成像及非視域成像等量子成像的發(fā)展趨勢(shì),概述了非光子粒子的量子成像這一量子成像新方案。量子成像技術(shù)不僅加深了人們對(duì)量子力學(xué)的理解,同時(shí)也在遙感成像、三維成像、生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

通過上述的進(jìn)展,可以總結(jié)出量子成像技術(shù)亟待解決的問題:1)對(duì)于糾纏光量子成像,如何制備高亮度的糾纏光源,從而擺脫實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境,在戶外實(shí)現(xiàn)糾纏光的高分辨率量子成像;2)對(duì)于經(jīng)典光量子成像和基于光場調(diào)制的量子成像,如何優(yōu)化成像系統(tǒng)來提高采樣和成像速度以及如何利用算法提高光子利用效率,通過微弱光強(qiáng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)更高分辨率、更高信噪比的成像。

在未來,量子成像技術(shù)勢(shì)必突飛猛進(jìn),日新月異:

1)糾纏光量子成像技術(shù)將對(duì)糾纏光子的多個(gè)信息維度進(jìn)行擴(kuò)展,將偏振、路徑、頻率以及軌道角動(dòng)量等維度加以利用,從而增強(qiáng)對(duì)目標(biāo)物體的探測能力。

2)經(jīng)典光量子成像和非光子粒子的量子成像,它們相比于傳統(tǒng)成像,具有可以對(duì)樣品在低通量輻射下進(jìn)行成像等優(yōu)勢(shì),能夠降低對(duì)樣品的輻射損傷。因此,它們未來會(huì)朝材料成像、醫(yī)學(xué)成像、顯微成像和無損檢測的方向飛速發(fā)展。

3)將光場調(diào)制技術(shù)運(yùn)用于成像,是人類探測能力的一次飛躍,主動(dòng)光場調(diào)制的量子成像技術(shù)路線必將走得更遠(yuǎn)。單像素成像的方式具有更高的光子效率和更低的噪聲;相比陣列探測器,單探測器具有更短的響應(yīng)時(shí)間;單探測器成本低,更換單探測器就可以低成本地實(shí)現(xiàn)多波段的探測;單像素成像技術(shù)能夠在欠采樣的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的成像,并且一些圖像恢復(fù)算法在一定程度上具有抗噪聲、抗湍流的功效。所以,單像素相機(jī)將會(huì)在極端環(huán)境下代替CCD,成為在星地遙感、水下成像、極弱光成像中的新一代探測裝置。除此之外,單像素成像技術(shù)今后可能會(huì)與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合,在極低采樣率下無需做到成像,就能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的邊緣檢測或獲取目標(biāo)的其他重要信息。未來,單光子掃描成像和非視域成像技術(shù)將會(huì)在探測距離、分辨率等技術(shù)指標(biāo)上不斷實(shí)現(xiàn)更高的突破,并深度應(yīng)用于三維遙感探測、軍事戰(zhàn)場和反恐行動(dòng)之中。