Explicación cuántica experimental de la destilación de imágenes con luz no detectada.

8 de septiembre de 2023 característica

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por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Es posible imaginar un objeto con un efecto de coherencia inducida utilizando pares de fotones para obtener información sobre el objeto de interés, sin detectar la luz que lo está investigando. Mientras un fotón ilumina el objeto, solo se detecta a su pareja, evitando así que las mediciones de eventos coincidentes revelen información sobre el objeto buscado. Este método también puede ser resistente al ruido.

En un nuevo informe publicado en Science Advances, Jorge Fuenzalida y un equipo de óptica aplicada, ingeniería de precisión y comunicaciones teóricas en Alemania han demostrado experimentalmente cómo hacer que el método sea resistente al ruido. Han introducido un enfoque distilado de imagen basado en la modulación interferométrica de la señal de interés para generar una imagen de alta calidad de un objeto, independientemente de los niveles extremos de ruido que superan la señal real de interés.

La imagen cuántica es un campo prometedor que está emergiendo con ventajas válidas en comparación con los protocolos clásicos. Los investigadores han demostrado que este método funciona en distintos escenarios en el régimen de flujo de fotones bajos, utilizando fotones de sondeo no detectados para imágenes de superresolución.

Los científicos también pueden desarrollar protocolos en imágenes cuánticas sin un equivalente clásico basados en la interferencia y entrelazamiento cuántico. Sin embargo, estos protocolos también pueden hacerse resistentes al ruido. Por ejemplo, la destilación o purificación pueden eliminar la decoherencia introducida por el entorno en un sistema cuántico.

También es posible implementar la destilación de imágenes cuánticas con uno o varios grados de libertad de pares de fotones. En este trabajo, Fuenzalida y su equipo introdujeron y verificaron experimentalmente un método de destilación de imágenes cuánticas para detectar solo fotones individuales.

El método de imagen cuántica con luz no detectada (abreviado como QIUL) ofrece un método de imagen interferométrica de campo amplio con dos fotones. Durante este proceso, un fotón puede iluminar un objeto, mientras que solo se detecta su pareja en la cámara. Curiosamente, el fotón que ilumina el objeto permanece sin detectar.

El método ofrece un método único de descubrimiento para sondear muestras. Los científicos luego introdujeron una fuente de ruido en el esquema de imagen cuántica para estudiar su resistencia y demostrar un buen rendimiento incluso para intensidades de ruido superiores en más de 250 veces a la intensidad de la señal cuántica.

La destilación de imágenes cuánticas es un método utilizado para eliminar el ruido de una imagen cuántica. El equipo ilustró el método de destilación definiendo una imagen de ruido como una señal no deseada superpuesta a una imagen cuántica en la cámara. Para destilar una imagen, Fuenzalida y su equipo utilizaron una holografía cuántica con luz no detectada (abreviada como QHUL), donde la información del objeto se transmitía a un patrón de interferencia de fotón único. Si la diferencia de intensidad del método es mayor que la varianza de intensidad del ruido, el equipo puede destilar la imagen cuántica.

Para generar pares de fotones mediados por la interacción de un haz de bombeo intenso con los átomos de un cristal no lineal, el equipo utilizó la conversión descendente paramétrica espontánea. El esquema de imagen utilizó un interferómetro para generar un par de fotones señal-deshilachador en los modos de propagación hacia adelante y hacia atrás. La varianza de ruido en la configuración contribuyó a la varianza de intensidad de la señal, donde una diferencia de intensidad de señal mayor que la varianza de ruido puede destilar la imagen cuántica.

Fuenzalida y sus colegas implementaron una configuración experimental utilizando un interferómetro no lineal en una configuración de Michelson y bombardearon un cristal con un láser de onda continua. Debido a la fuerte no linealidad del experimento, el equipo generó un par de fotones a través de la conversión descendente paramétrica espontánea a lo largo de los caminos, aunque nunca simultáneamente. Separaron los haces de señal, deshilachador y bombeo en la dirección de propagación hacia adelante utilizando espejos dicróicos y los reflejaron en el cristal con una serie de espejos.

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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