一组科学家在量子成像领域取得了新突破，他们使用纳米级超表面产生了具有无与伦比的分辨率和可调谐性的纠缠光子对。

这一突破省去了机械扫描步骤，使超快速、紧凑型量子成像系统成为现实。其影响范围从激光雷达到安全通信，使我们离量子技术的实际应用更近了一步。

利用超表面技术革新量子成像

来自澳大利亚国立大学（ANU）和墨尔本大学（UoM）的澳大利亚研究理事会（ARC）卓越变换超光学系统（TMOS）中心的科学家们开发了一项开创性的量子成像技术。该技术采用超薄非线性超表面产生的空间纠缠光子对，结合鬼成像和全光扫描实现高分辨率图像重建。这一突破代表了量子光学和成像技术的重大进步。

该研究发表于《eLight》期刊上，针对了传统量子成像的关键局限性，即其依赖于笨重的非线性晶体。这些传统系统存在尺寸受限、角发射范围狭窄和视野有限等问题，导致它们在许多实际应用中不切实际。为了克服这些挑战，TMOS团队设计了一种与薄型铌酸锂薄膜集成的纳米级二氧化硅超光栅。这种紧凑的结构可有效生成纠缠光子对，同时为量子成像提供了一个高度可调谐且可扩展的平台。

无机械部件的创新光学扫描

“本研究的一项关键创新在于，只需调整泵浦光束的波长，便能以全光学方式操控光子发射角度。这一独特属性省去了机械扫描的步骤，从而能够在保持另一维度光子发射广泛反相关的同时，实现一维的无缝精确光学扫描，”澳大利亚国立大学TMOS的博士生、论文共同第一作者任金亮说道。

利用这些特性，研究人员成功地将光学扫描与鬼成像结合起来，用于重建二维物体。这种方法在闲置光路中使用简单的一维探测器阵列，在信号光路中使用桶探测器，与传统系统相比，极大地降低了硬件要求。

实验验证与卓越性能

研究人员通过重建二维物体在红外波长下的图像，实验验证了该方法，并预测分辨率和视场都将得到显著提高。他们发现，其基于超表面的成像系统实现的分辨率单元数量比传统的量子鬼成像装置高出四个数量级以上。这一卓越的性能源于不存在纵向相位匹配约束，正是这一约束限制了传统块状晶体的视场。

超表面：量子成像的未来？

该研究的主要研究者马金永博士强调了这项创新的潜在影响。“我们的研究展示了基于超表面的量子成像系统在现实应用中首次展现出实用潜力。它们结构紧凑、可调谐，非常适合自由空间应用，在这些应用中，尺寸、稳定性和可扩展性至关重要。该技术使超表面得以与现代光子学系统集成，为自由空间量子通信、物体跟踪和传感应用的进步铺平了道路。”此外，无需机械部件即可进行光学扫描，能够实现超快速成像，这对于量子激光雷达和物体跟踪等动态成像场景至关重要。

展望未来，研究人员正在探索进一步提高超表面的光子对产生效率的方法。“我们正在研究具有更高非线性系数的新材料，并优化超表面设计，以实现泵浦光、信号光和空闲光波长下的三重共振，这有望实现可与传统大型系统相媲美甚至超过其水平的光子对产生速率。这一进展将显著提高基于超表面的量子成像系统的速度、灵敏度和信噪比，使其更接近于广泛的实际应用。”共同作者、前TMOS研究员张纪华博士（最近调至松山湖材料实验室）说道。

超越成像：拓展量子技术范畴

“这项工作的影响不仅仅局限于成像领域。依赖纠缠光子对的量子技术，如安全通信网络、量子激光雷达和先进传感系统，都可以从非线性超表面实现的小型化、高效率光子对源中受益。光学可调谐性、纳米级集成和高分辨率成像的结合，为广泛的量子应用提供了一个多功能平台，”该研究小组负责人安德烈·苏霍鲁科夫教授表示。

量子光学的新纪元

这项研究在量子光学领域具有里程碑式的意义，凸显了基于超表面的技术的变革潜力。TMOS团队用可扩展的超薄结构取代了笨重且僵硬的光学元件，为新一代量子成像和传感设备奠定了基础，这些设备比以往任何时候都更加紧凑、高效且适应性强。

参考文献：《利用非线性超表面产生的空间纠缠光子对进行量子成像》，作者：马金勇、任金亮、张纪华、孟佳君、凯特琳·麦克马纳斯-巴雷特、肯尼斯·B·克罗齐尔和安德烈·A·苏霍鲁科夫，发表于2025年2月10日，eLight期刊。DOI：10.1186/s43593-024-00080-8