关联成像技术的研究现状及展望

邱晓东，陈理想

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封面文章|吴自文,邱晓东,陈理想. 关联成像技术研究现状及展望[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57（6）: 060001

光学成像和我们的日常生活密不可分。传统的光学成像方式一般是利用光场的一阶关联来获得物体的信息，比如显微镜、望远镜以及我们的手机等。近年来，量子物理和成像技术的结合催生了一个新的交叉学科—量子成像，又称为关联成像，它是利用光场的高阶关联来获取目标物体的空间或相位信息。

其中，量子关联成像的研究可追溯到1995 年美国马里兰大学史砚华教授研究组完成的两个著名姐妹实验：鬼衍射和鬼成像。其中，鬼成像最神奇的地方在于：光不需要直接接触目标物体，也可以获得该目标物体的成像，所以又称为“鬼像”。它的产生为最初探索纠缠光子对增添了新的魅力。

但是，科学家很快发现利用经典的光源如赝热光源也可以通过强度的涨落关联来实现关联成像。这种相似性，在基础理论方面，引发了一场激烈的学术争议—关联成像的形成机制究竟是属于经典物理还是量子物理的范畴？同时，从应用角度来看，关联成像技术因具有少光子、非局域性、抗干扰等特点，近年来在无损生物组织成像、高信噪比的量子成像、医学检测、三维遥感成像等领域展现了诸多诱人的应用前景。

厦门大学陈理想教授课题组从基础物理及应用技术两个方面，就量子关联成像、经典关联成像及计算关联成像的发展历程及应用现状进行了系统综述，并着重介绍了近年来由于微光相机（ICCD, Intensified Charge Coupled Device）的引入，量子关联成像技术的发展进入了一个崭新的阶段。

• 什么是量子关联成像？

1935年，Einstein、Pldolsky 和Rosen三人为了论证量子力学的不完备性提出了著名的“EPR佯谬”，量子纠缠的概念开始逐渐进入人们的视野。

1988年，Klyshko率先从理论上提出了基于纠缠光子对的关联成像方案，即量子关联成像。纠缠光源分成两路，待探测的物体放在其中的一路，而像却是在另外一路获得。换句话说，用来实现成像的光子本身并没有接触到待探测的物体，因此这是一种非局域的“离物成像”方式。但是，在这个过程中两路信号之间的关联测量非常关键。在真实的实验中，往往需要通过符合测量电路或采用具有触发模式的微光相机才能最终实现鬼像的重构，而目前的报道中往往忽略了这一点。

1995年，美国马里兰大学史砚华教授研究组Pittman等人率先在实验上实现了量子关联成像。在实验中，他们用中心波长为351.1nm的氩离子激光为泵浦，通过BBO晶体自发参量下转换过程产生了波长均为702.2nm的纠缠光子对，再通过偏振分束器将信号光子和闲置光子分离到两路，如图1所示。

图1 马里兰大学搭建的基于纠缠光子对的关联成像实验系统

在其中一路，利用信号光子来照射待探测的物体，但这一路后面仅利用“桶探测器”来收集光子，并没有进行具有空间分辨的成像测量；而在另外一路，虽然没有放置物体，但通过对闲置光子的逐点扫描测量，却可以“非定域地”再现信号光路中物体的像。在这里，他们主要通过门限电路来实现两路信号的符合测量。从物理上来说，“鬼像”的获得主要是利用了纠缠光子对的空间位置所具有的量子关联特性。

在实验中，他们成功“拍摄”出了世界上第一张“鬼像”照片，即马里兰大学巴尔的摩分校英文名称的四个首写字母“UMBC”，如图2所示。

图2 世界上第一张“鬼像”照片

• 引入ICCD的量子关联成像

近年来，微光相机ICCD的出现为量子关联成像的发展带来了新的机遇。ICCD相机具有优越的信号增强功能和时间闸门控制特点，可实现极弱信号采集、时间分辨影像捕捉等功能。在传统的量子关联成像系统中，往往需要在符合测量的辅助下，通过单模光纤尖端的横向逐点扫描来获取具有空间分辨率的“鬼像”，显然，这种“成像”过程耗时长、效率低。

2013 年，英国格拉斯哥大学Padgett研究组Aspden等人率先将 ICCD相机引入到量子关联成像系统中，如图3所示。

图3 格拉斯哥大学构建的引入ICCD相机的量子关联成像系统

需要注意的是，由于在放置物体的一路中采用单光子探测器来收集探测来自物体散射的单光子信号（“桶测量”），并以每个单光子事件作为触发信号通过SMA（SubMiniature version A）电缆来打开另一路ICCD相机的快门，从而实现“鬼像”的同步拍摄，这个触发过程会引入大概70 ns的电子延迟，因此在成像光路中需搭建额外的光学延迟线（大概22 m）来补偿该电子延迟。这样就能确保物体光路中单光子探测器收集到的信号光子与成像光路中ICCD记录到的用来拍摄“鬼像”的那个闲置光子恰好属于同一纠缠光子对。

更重要的是，Aspden等人还完成了分别基于近场关联（即位置关联）和远场关联（即动量关联）的关联成像实验，从而直观揭示了该关联成像系统所具有的EPR量子关联特性。随后，他们通过对该成像系统的优化及算法的改进，进一步实现了对黄蜂翅膀的少光子关联成像，并通过制备波长非简并的纠缠光子对（即信号光子的波长为1550nm，而闲置光子的波长为460nm），巧妙地实现了用红外波段的光子来照射相位物体，却可用可见光波段的光子来获得物体的“鬼像”。

• 引入光场调控的量子关联成像

在传统的量子成像系统中，主要采用基模高斯光束抽运非线性晶体来制备纠缠光子对。

最近，作者课题组通过光场调控的手段，采用空间结构光束代替常用的基模高斯光束作为抽运光，从而有效地操控了自发参量下转换纠缠光子对的空间关联性质。

在理论上，在轨道角动量的本征态空间，分析了抽运光场调控如何转化为对纠缠双光子波函数的有效调制，并发现关联成像的输出信号在数学上恰好为抽运光频谱与待检测目标透射函数的卷积。换句话说，就是构建了一个量子版本的滤波器。

实验中考虑了5个不同的人脸，每次实验先将一个标准目标人脸的空间频谱信息预先加载在抽运光，然后利用纠缠光子对中的一个信号光子照射待检测对象（通过空间光调制器依次加载），用另外一个闲置光子来相应地读取相关峰信号（通过ICCD记录）。这是一种基于量子关联的非局域的人脸识别方式，如图4所示。

图4 厦门大学提出的基于“鬼像”的人脸识别技术

众所周知，模式识别在信息安全等领域具有重要的应用。与基于计算机的传统方法相比，基于光学手段的模式识别技术由于具有并行高效的特点，因此越来越受到研究人员的青睐。而该工作为拓展量子信息技术特别是关联成像技术在模式识别中的应用提供了一个新的思路。

• 总结

虽然关联成像目前已显示出了一系列诱人的应用前景，如3D遥感、光学加密、生物医学成像及模式识别等，但仍存在一些关键问题亟需科学家们的共同努力。

首先是成像质量问题，这需要构建关联成像的新原理，不断优化成像系统的功能，从而进一步减小系统噪声，提高关联成像的信噪比、分辨率等。

其次是成像速度问题，这要求构建新型的光源和成像体制，特别是优化各种成像方案和算法，进一步缩短样本的采集时间，从而实现成像系统的快速响应，提高信号采集速度、处理速度和成像速度，以满足不同应用场景的需求。

可以预见，在接下来的几年里，将是关联成像技术发展的关键时期，既充满挑战，也充满机遇。

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