弗劳恩霍夫光电、系统技术和图像开发研究所和卡尔斯鲁厄理工学院的一组研究人员正在利用单光子雪崩二极管 (SPAD) 阵列来实现三维 (3D) 量子鬼成像。
这种新方法被称为“异步检测”，可产生任何测量中最低的光子剂量，可用于对光敏感的组织或暴露在光下有毒的药物进行成像，而不会造成损坏。
“我们的研究所专门研究遥感，当弗劳恩霍夫协会于 2018 年启动其量子传感灯塔项目（称为“QUILT”）时，我们想探索是否可以通过量子鬼成像实现遥感，”Carsten Pitsch 说，弗劳恩霍夫和卡尔斯鲁厄理工学院的研究员。
他的同事 Dominik Walter 提出了使用 SPAD 相机的时间戳功能来执行成像的想法，而不是依赖复杂的光学设置。
“为了进行更远距离的成像，我们必须想出一种替代传统量子鬼成像设置的方法，而仅使用时间戳作为输入的图像重建算法是一个挑战，但这是解决当时所有问题的最佳答案，”沃尔特说。“通过一个并行项目，我手头已经拥有了正确的工具来快速证明该算法的概念，并且能够反驳任何对我们的新方法可能行不通的怀疑。”
量子鬼成像遇见 SPAD
量子鬼成像是一种通过纠缠光子对创建图像的怪异方法，其中只有一个光子实际上与物体相互作用。研究人员依靠光子检测时间来首先识别纠缠对，这使他们能够通过纠缠光子的特性重建图像。额外的好处是，这种方法可以在极低的光照水平下进行成像。
研究小组指出，之前的量子鬼成像装置无法处理 3D 成像，因为它使用增强型电荷耦合器件 (ICCD) 相机。ICCD 相机提供空间分辨率，但具有时间选通功能，不允许对单光子进行独立的时间检测。
为了解决这个问题，研究人员构建了一种基于 SPAD 阵列的装置，该阵列借鉴了光探测和测距 (LiDAR) 和医学成像领域的技术。这些探测器具有多个独立像素和专用定时电路，以皮秒分辨率记录每个像素的探测时间。
他们的装置依赖于自发参数下转换（SPDC）作为相关光子对的来源，并具有特殊的周期性极化晶体。磷酸氧钛钾 (KTP) 晶体是一种非线性光学晶体，对于 350 至 2770 nm 之间的波长具有高度透明性，可产生纠缠光子。
它能够为几乎任何三重态或泵浦信号闲频信号实现高效的准相位匹配，为纠缠光子对提供广泛的波长组合，”Pitsch 说。“这使我们能够调整我们的设置以适应其他波长或应用。”
例如，它使得从蓝色泵浦光子产生一个绿色光子和一个红外光子成为可能。“波长/颜色组合是通过能量守恒约束给出的，”皮奇补充道。
研究人员用红外光子照射场景，并用单像素单光子探测器（也是 SPAD）检测反向散射光子。同时，绿色光子由 SPAD 阵列记录，该阵列充当单光子相机。通过利用纠缠的特性，他们可以根据相机检测到的绿色光子重建照明场景。
这部分具体是如何工作的？两个纠缠光子（信号光子和闲频光子）可用于通过单光子照明获得 3D 图像。闲置光子被引导到物体上，其反向散射光子被检测到，记录它们的到达时间。信号光子被发送到专用相机，该相机在时间和空间上检测尽可能多的光子。为了重建纠缠，将每个像素的检测时间与单像素检测器的检测时间进行比较。这使得可以确定相互作用的闲置光子的飞行时间，从而可以计算出物体的深度。
“这种方法被称为量子鬼成像，它允许在宽光谱范围内成像，而不需要我们想要成像的光谱范围内的相机，但我们仍然需要一个简单的桶探测器来记录闲频光子的到达，”皮奇说。“对于成像，我们通常可以定制系统，使信号光子最适合二氧化硅检测——最成熟的相机和单光子检测材料。”
像素内定时电路使 SPAD 不仅能够执行常规强度成像，还能够对单光子添加时间戳。“这对于每个依赖光子飞行时间的系统（例如激光雷达）来说都是一个很大的优势，”皮奇说。“但它对于许多量子应用来说也非常好，因为它们往往依赖于通过飞行时间来识别光子对。我们用它来暂时记录红外和绿光光子，然后在测量后识别这对光子以获得红外场景的图像。”
Walter 说，纠缠伙伴光子的时间戳“为我们提供了一种及时的安全量子密钥，帮助我们确定检测事件是 3D 图像的一部分还是仅仅是噪声”。“这大大提高了信噪比。但保持两个 SPAD 探测器的“时钟”以相同的速率运行（允许在没有任何同步信号的情况下参考探测结果）是一个巨大的挑战。每次由于一些未知错误而失去同步时，我们都必须自动纠正它，这并不容易。”
保持阵列每一帧的同步是团队面临的另一个挑战。“我们通过分析相机的时间行为并纠正/估计各个帧丢失的时间戳来做到这一点，”皮奇说。
皮奇补充道，发现实际执行成像所需的光源需要调整得有多好，这让人感到惊讶，因为这是他们的第一个量子成像装置。
该团队使用两种不同的设置演示了他们的异步检测方法。他们的第一个装置类似于迈克尔逊干涉仪，并使用两个空间上分离的臂获取图像，这使他们能够分析 SPAD 性能并改进符合检测。他们的第二个设置使用自由空间光学器件，他们不是用两个单独的手臂成像，而是对同一手臂内的两个物体进行成像。
皮奇说，这两种设置都作为概念验证演示运行良好，并指出异步检测可用于远程检测，并且可能对大气测量有用。
研究人员目前正在致力于改进 SPAD 相机，重点关注像素数和占空比。“对于当前的项目，我们正在对我们的设置进行定制升级，以便更轻松地‘维持’探测器之间的同步，”Pitsch 说。“我们正在探索光谱纠缠特性在中红外光谱和高光谱成像中的应用——这是生物学和医学高度关注的领域。”
他们的方法还可能在安全和军事上得到应用，因为异步检测有可能在不被发现的情况下进行观察，同时减少过度照明、湍流或散射的影响。
Pitsch 补充道：“它具有一些优点，这些优点源于使用单像素探测器和经典重影成像，而一些进一步的优点则来自使用量子光。” “例如，由于 SPDC 的随机连续波照明，该系统具有很强的抗干扰能力。”
