Experimentelle Quantenbildgebung mit unbemerktem Licht

8. September 2023

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von Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Mit Hilfe von Photonpaaren ist es möglich, ein Objekt mit einem induzierten Kohärenzeffekt abzubilden, um Informationen über das Interesse weckende Objekt zu erhalten - ohne das Licht, das es untersucht, zu detektieren. Während ein Photon das Objekt beleuchtet, wird nur das Partnerphoton erfasst, wodurch verhindert wird, dass die Messung von Koinzidenzevents Informationen über das gesuchte Objekt preisgibt. Diese Methode kann auch gegenüber Störungen widerstandsfähig gemacht werden.

In einem neuen in Science Advances veröffentlichten Bericht zeigten Jorge Fuenzalida und ein Team aus angewandter Optik, Präzisionstechnik und Theorie der Kommunikation in Deutschland experimentell, wie diese Methode gegen Störungen widerstandsfähig gemacht werden kann. Sie führten einen auf interferometrischer Modulation des zu untersuchenden Signals basierenden bildverarbeiteten Ansatz ein, um ein hochwertiges Bild eines Objekts zu erzeugen, unabhängig von den extremen Rauschpegeln, die das eigentliche Interesse weckende Signal überschreiten.

Quantenbildgebung ist ein vielversprechendes Feld, das bei Vergleichen mit klassischen Protokollen gültige Vorteile bietet. Forscher haben gezeigt, dass diese Methode in verschiedenen Szenarien im Bereich geringer Photonenausbeute funktioniert, indem sie nicht detektierte Sondenphotonen für die Super-Resolution-Bildgebung nutzen.

Wissenschaftler können auch Protokolle in der Quantenbildgebung entwickeln, die auf Quanteninterferenz und Verschränkung basieren und keine klassischen Entsprechungen haben. Protokolle in der Quantenbildgebung können jedoch gegen Störungen widerstandsfähig gemacht werden. Zum Beispiel können Destillation oder Reinigung die durch die Umgebung in einem quantenmechanischen System eingeführte Dekohärenz entfernen.

Es ist auch möglich, die Quantenbildgebung mit einem und mehreren Freiheitsgraden von Photonpaaren durchzuführen. In dieser Arbeit führten Fuenzalida und sein Team eine Quantenbildgebung-Destillationsmethode ein und verifizierten sie experimentell, um nur einzelne Photonen zu detektieren.

Die Methode der Quantenbildgebung mit nicht detektiertem Licht (abgekürzt QIUL) bietet eine zweiphotonen-Weitfeldinterferometrie. Während dieses Prozesses kann ein Photon ein Objekt beleuchten, während nur sein Partnerphoton auf der Kamera erfasst wird. Das Photon, das das Objekt beleuchtet, bleibt unbeobachtet.

Die Methode bietet eine einzigartige Entdeckungsmethode zur Untersuchung von Proben. Die Wissenschaftler führten dann eine Rauschquelle in das Quantenbildgebungsschema ein, um dessen Widerstandsfähigkeit zu untersuchen und eine gute Leistung auch bei Rauschintensitäten von mehr als 250 Mal der Quantensignalintensität zu zeigen.

Quantenbildgebung-Destillation ist eine Methode, um ein Quantenbild von Rauschen zu säubern. Das Team veranschaulichte die Destillationsmethode, indem es ein Rauschbild als ein unerwünschtes Signal definierte, das über ein Quantenbild auf der Kamera überlagert wird. Um ein Bild zu destillieren, verwendeten Fuenzalida und sein Team Quantenholographie mit nicht detektiertem Licht (abgekürzt QHUL), bei der die Objektinformation in ein Einzelphoton-Interferenzmuster übertragen wurde. Wenn die Intensitätsdifferenz der Methode größer ist als die Intensitätsvarianz des Rauschens, konnten die Wissenschaftler das Quantenbild destillieren.

Um Photonpaare zu erzeugen, die durch die Wechselwirkung eines intensiven Pumpstrahls mit den Atomen eines nichtlinearen Kristalls vermittelt werden, verwendete das Team spontane parametrische Abwärtskonversion. Das Abbildungsschema verwendete einen Interferometer, um ein Paar von Signal-Idler-Photonen in den Vor- und Rückwärts-Ausbreitungsmodi zu erzeugen. Die Rauschvarianz in der Einrichtung trug zur Intensitätsvarianz des Signals bei; wenn die Differenz der Signalintensität größer als die Rauschvarianz ist, kann das Quantenbild destilliert werden.

Fuenzalida und seine Kollegen realisierten einen experimentellen Aufbau, der einen nichtlinearen Interferometer in einer Michelson-Konfiguration verwendete, und pumpten einen Kristall mit einem Laser kontinuierlicher Welle. Aufgrund der starken Nichtlinearität des Experiments erzeugte das Team ein Photonpaar über spontane parametrische Abwärtskonversion entlang der Wege, jedoch niemals gleichzeitig. Sie trennten die Signal-, Idler- und Pumpenstrahlen in Richtung Vorwärtsausbreitung mithilfe dichroitischer Spiegel auf und reflektierten sie mit einer Reihe von Spiegeln in den Kristall.

The camera in the experimental framework showed an interference pattern of signal photons, which the team noted as the transfer of object information obtained by the idler photon to the signal photon interference pattern. The team used a continuous wave diode laser with a variable pump power to introduce noise into the system, and varied the properties of classical illumination, intensity and variance to examine the effects of noise and the distillation performance.

The scientists superimposed classical and quantum images to perform quantum holography with undetected light to distill or clean the quantum image under diverse intensities of noise. For the quantum image, they used signal photons generated in a single pass through a crystal, where the signal intensity did not change during the experiments. They characterized different noise intensities by superimposing quantum and classical images on the camera, and as the noise intensity increased, they measured the accuracy of the experimental results.

The researchers conducted a second experiment to quantify the effects of varying noise on the phase accuracy of distilled images by using similar configurations of noise intensities. The experimental behavior was in good agreement to theory, and compared well to existing methods.

In this way, Jorge Fuenzalida, and colleagues investigated quantum imaging with undetected light (QIUL) in a two-photon wide-field interferometric imaging method. While one photon illuminated the object of interest and its partner remained on the camera, the illuminating photon remained undetected. The scientists distilled or cleaned the image by using quantum holography with undetected light (QHUL). They proved the imaging method by superimposing partially or completely a classical source of noise on top of the quantum image on the camera. The method worked every time, even with noise intensities higher than the signal intensity.

The team explored the limits of the method by presenting simulations of quantum holography under extreme noise scenarios. The experimental outcomes provide a step forward for quantum imaging in open systems to even examine the limits of innovative versions of quantum-based light detection and ranging (LIDAR), by using undetected light.

Ron Tenne et al, Super-resolution enhancement by quantum image scanning microscopy, Nature Photonics (2018). DOI: 10.1038/s41566-018-0324-z

Journal information: Nature Photonics , Science Advances

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