量子成像：邁向更快、更小、更精準的新紀元

一群科學家在量子成像領域開拓了新的疆界。他們運用奈米尺度的超穎表面，成功產生糾纏光子對，其解析度和可調諧性無人能及。所謂奈米尺度，指的是尺寸以奈米（nm）為單位衡量，一奈米等於十億分之一公尺，在這個尺度下，材料會展現出在巨觀材料中不存在的物理、化學和生物特性，例如量子效應和更高的表面積與體積比，這些特性會顯著改變材料的光學、電學和磁學行為。

這項突破摒棄了機械掃描，讓超快、緊湊的量子成像系統成為現實。其應用範圍從雷達（LiDAR）到安全通訊，使我們更接近量子技術的實際應用。

澳洲國立大學（Australian National University）ARC卓越轉型超穎光學系統中心（TMOS）和墨爾本大學（University of Melbourne）的科學家們開發出一種突破性的量子成像技術。他們的方法利用超薄非線性超穎表面產生的空間糾纏光子對，透過鬼成像和全光學掃描相結合的方式，實現高解析度的影像重建。這一突破是量子光學和成像技術的重大進展。

該研究成果發表於《eLight》期刊，它解決了傳統量子成像依賴龐大非線性晶體的關鍵限制。這些傳統系統存在尺寸受限、角發射狹窄和視野有限等問題，使其在許多實際應用中不切實際。為了克服這些挑戰，TMOS團隊設計了一種與薄鈮酸鋰薄膜整合的奈米尺度二氧化矽超穎光柵。這種緊湊的結構能高效產生糾纏光子對，同時為量子成像提供了高度可調諧和可擴充套件的平臺。

研究的一個關鍵創新在於，只需調整泵浦光束的波長，就能完全以光學方式操控光子發射角度。TMOS、澳洲國立大學的博士生、共同第一作者任金良表示：「這種獨特的特性消除了對機械掃描的需求，能夠在一個維度上實現無縫且精確的光學掃描，同時在另一個維度上保持寬廣的反相關光子發射。」

利用這些特性，研究人員成功地將光學掃描與鬼成像相結合，重建二維物體。這種方法在閒頻光路徑中使用簡單的一維探測器陣列，在訊號光路徑中使用桶探測器，與傳統系統相比，顯著降低了硬體要求。

研究人員透過在紅外波長下重建二維物體的影像，對他們的方法進行了實驗驗證，並預測解析度和視野都將有顯著改善。他們發現，基於超穎表面的成像系統所能達到的解析度單元數量，比傳統量子鬼成像裝置高出四個數量級以上。這種卓越的效能源於不存在限制傳統塊狀晶體視野的縱向相位匹配約束。

該研究的首席研究員馬金勇博士強調了這項創新的潛在影響：「我們的工作展示了基於超穎表面的量子成像系統在實際應用中的首次實用潛力。它們緊湊的設計和可調諧性使其非常適用於自由空間應用，在這些應用中，尺寸、穩定性和可擴充套件性至關重要。這項技術能夠整合到現代光子學系統中，為自由空間量子通訊、物體追蹤和感測應用的發展鋪平道路。此外，無需機械部件進行光學掃描可實現超快成像，這對於量子雷達和物體追蹤等動態成像場景至關重要。」

展望未來，研究人員正在探索進一步提高超穎表面光子對產生效率的方法。曾是TMOS研究員、現任鬆山湖材料實驗室的張繼華博士表示：「我們正在研究具有更高非線性係數的新材料，並最佳化超穎表面的設計，以在泵浦、訊號和閒頻波長處實現三重共振，這有可能達到與傳統龐大系統相當或更高的光子對產生率。這一發展將顯著提高基於超穎表面的量子成像系統的速度、靈敏度和訊雜比，使其更接近廣泛的實際應用。」

該研究團隊負責人安德列·蘇霍魯科夫教授表示：「這項工作的影響不僅限於成像領域。依賴糾纏光子對的量子技術，如安全通訊網路、量子雷達和先進感測系統，都可能受益於非線性超穎表面實現的緊湊、高效光子對源。光學可調諧性、奈米尺度整合和高解析度成像的結合，為廣泛的量子應用提供了一個多功能平臺。」

這項研究是量子光學領域的一個重要里程碑，凸顯了基於超穎表面技術的轉型潛力。透過用可擴充套件的超薄結構取代龐大而僵硬的光學元件，TMOS團隊為新一代量子成像和感測裝置奠定了基礎，這些裝置比以往任何時候都更加緊湊、高效和適應性強。

參考文獻：Jinyong Ma、Jinliang Ren、Jihua Zhang、Jiajun Meng、Caitlin McManus - Barrett、Kenneth B. Crozier和Andrey A. Sukhorukov所著的《Quantum imaging using spatially entangled photon pairs from a nonlinear metasurface》，2025年2月10日，《eLight》。DOI: 10.1186/s43593 - 024 - 00080 - 8