我实验室在量子超表面图像边缘探测实验研究中取得重要进展：史保森教授，周志远副教授等与湖南大学罗海陆教授和美国加利福尼亚大学Zhaowei Liu教授合作，利用高品质偏振纠缠源和高效介质超表面，实现了待检测图像状态在正常模式和边缘探测模式远程的开关切换，并且证实了在弱光场照明下，纠缠光子照明相对于直接单光子照明具有更高的信噪比。这项研究成果于2020年12月16日在线发表在美国《科学》杂志子刊《科学进展》上[Sci. Adv. 6, eabc4385(2020)]。

光子超表面器件是利用二维超薄的金属或者电介质人工微结构阵列实现电磁场振幅、相位和偏振等自由度的调控，从而实现满足需求的电磁场分布。量子纠缠是量子信息研究的重要资源，在量子密码、隐形传态、超分辨测量和量子关联成像中具有重要的优势和潜在价值。最近几年，超表面材料与量子光学结合成为一个重要的趋势，通过超表面对电磁场强大的操控能力，相关学者已经实现自旋轨道耦合多自由度纠缠态的制备与表征、多光子干涉与态重构和多光子高维态的制备与自由调控。另一方面，边缘探测是图像处理过程中的一种常用手段，主要用于提取图像的边界，该方法被广泛应用于计算视觉、医学影像自助表征和无人驾驶等领域。相较于传统的数字边缘提取方法，模拟边缘提取方法具有更高的速度和更低的能耗。因此，研究者发明了多种模拟边缘探测的方法，其中一种就是基于超表面材料。在量子纠缠照明下的超表面器件边缘探测还没有相关研究，光子间的纠缠特性将会给边缘探测带来新的可能性比如远程开关切换成像状态和较高的信噪比（在弱光场照明条件下）。

史保森教授、周志远副教授等人长期从事基于非线性过程的非经典量子光源的制备与应用相关研究，他们可以制备高品质的多种类型的双光子纠缠源，包括偏振纠缠、时间能量纠缠和轨道角动量纠缠源等，纠缠源的各项参数指标均处于国际先进水平。湖南大学罗海陆教授和美国美国加利福尼亚大学Zhaowei Liu教授合作长期开展高效率的电介质超表面器件的设计制作和基于超表面的光场调控相关研究，并且在该领域取得许多重要成果。在该工作中，利用中国科学技术大学团队在偏振纠缠量子光源的制备与表征方面的优势以及合作者在高效率电介质超表面上的研究优势，联合团队实现了量子超表面图像边缘探测，并且展示了量子纠缠光场照明下具有成像状态远程可切换和具有较高的信噪比的特征。

在该工作中，用线偏振光照射超表面器件会发生光自旋霍尔效应，从而使两个圆偏振的出射光场在空间发生微小的平移，出射光场的中间部分的偏振态还是线偏振，边缘部分是圆偏振，通过检偏器可以提取待成像物体的边缘轮廓。利用偏振纠缠光源中的一个光子进行照明，由于该光子含有两种可能的偏振状态，在另外一个光子没有进行测量的时候，成像的状态是未知的，通过测量另外一个光子的状态，用于照明的光子的偏振状态也会随之确定，因此通过远程切换纠缠光子对中的用于触发的光子的偏振状态可以得到不同的成像效果，可以实现成像的模式在正常模式和边缘探测模式的远程切换。此外，偏振纠缠光子在时间上也具有极高的关联性，通过纠缠光源照明，并且利用符合探测的方式，我们证明了在极弱光场照明下，在单光子CCD采集的总等效光子数相同的情况下，基于纠缠照明和符合探测相对于直接照明探测具有更高的信噪比。

图1.成像状态切换示意图和实验原理图

图2.不同偏振下成像效果图和纠缠光子照明与单光子直接照明效果对比

该工作是量子超表面研究在图像边缘探测的一次尝试，在图像加密和隐写上具有潜在的应用，另外在光子照明匮乏的场景如酶反应跟踪与生物活体细胞的观察上，较高的信噪比会表现出一定的优势，该工作将会促进更多的关于量子光学和超表面材料相结合的相关研究。

湖南大学博士生周军晓和中国科学技术大学博士生刘世凯为论文的共同第一作者。中国科学技术大学周志远副教授、湖南大学罗海陆教授、美国加利福尼亚大学Zhaowei Liu教授为论文的共同通信作者。这项工作得到国家基金委、中科院、科技部和安徽省重大研究专项的支持。

文章链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/51/eabc4385

（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

编辑时间：2020-12-26 08:53:57