中國科大郭光燦院士團隊在量子超表面圖像邊緣探測實驗研究中取得重要進展：該團隊史保森教授，周志遠副教授等與湖南大學羅海陸教授和美國加利福尼亞大學Zhaowei Liu教授合作，利用高品質(zhì)偏振糾纏源和高效介質(zhì)超表面，實現(xiàn)了待檢測圖像狀態(tài)在正常模式和邊緣探測模式遠程的開關(guān)切換，并且證實了在弱光場照明下，糾纏光子照明相對于直接單光子照明具有更高的信噪比。這項研究成果于2020年12月16日在線發(fā)表在美國《科學》雜志子刊《科學進展》上[Sci. Adv. 6, eabc4385(2020)]。

光子超表面器件是利用二維超薄的金屬或者電介質(zhì)人工微結(jié)構(gòu)陣列實現(xiàn)電磁場振幅、相位和偏振等自由度的調(diào)控，從而實現(xiàn)滿足需求的電磁場分布。量子糾纏是量子信息研究的重要資源，在量子密碼、隱形傳態(tài)、超分辨測量和量子關(guān)聯(lián)成像中具有重要的優(yōu)勢和潛在價值。最近幾年，超表面材料與量子光學結(jié)合成為一個重要的趨勢，通過超表面對電磁場強大的操控能力，相關(guān)學者已經(jīng)實現(xiàn)自旋軌道耦合多自由度糾纏態(tài)的制備與表征、多光子干涉與態(tài)重構(gòu)和多光子高維態(tài)的制備與自由調(diào)控。另一方面，邊緣探測是圖像處理過程中的一種常用手段，主要用于提取圖像的邊界，該方法被廣泛應用于計算視覺、醫(yī)學影像自助表征和無人駕駛等領(lǐng)域。相較于傳統(tǒng)的數(shù)字邊緣提取方法，模擬邊緣提取方法具有更高的速度和更低的能耗。因此，研究者發(fā)明了多種模擬邊緣探測的方法，其中一種就是基于超表面材料。在量子糾纏照明下的超表面器件邊緣探測還沒有相關(guān)研究，光子間的糾纏特性將會給邊緣探測帶來新的可能性比如遠程開關(guān)切換成像狀態(tài)和較高的信噪比（在弱光場照明條件下）。

史保森教授、周志遠副教授等人長期從事基于非線性過程的非經(jīng)典量子光源的制備與應用相關(guān)研究，他們可以制備高品質(zhì)的多種類型的雙光子糾纏源，包括偏振糾纏、時間能量糾纏和軌道角動量糾纏源等，糾纏源的各項參數(shù)指標均處于國際先進水平。湖南大學羅海陸教授和美國美國加利福尼亞大學Zhaowei Liu教授合作長期開展高效率的電介質(zhì)超表面器件的設計制作和基于超表面的光場調(diào)控相關(guān)研究，并且在該領(lǐng)域取得許多重要成果。在該工作中，利用中國科學技術(shù)大學團隊在偏振糾纏量子光源的制備與表征方面的優(yōu)勢以及合作者在高效率電介質(zhì)超表面上的研究優(yōu)勢，聯(lián)合團隊實現(xiàn)了量子超表面圖像邊緣探測，并且展示了量子糾纏光場照明下具有成像狀態(tài)遠程可切換和具有較高的信噪比的特征。

在該工作中，用線偏振光照射超表面器件會發(fā)生光自旋霍爾效應，從而使兩個圓偏振的出射光場在空間發(fā)生微小的平移，出射光場的中間部分的偏振態(tài)還是線偏振，邊緣部分是圓偏振，通過檢偏器可以提取待成像物體的邊緣輪廓。利用偏振糾纏光源中的一個光子進行照明，由于該光子含有兩種可能的偏振狀態(tài)，在另外一個光子沒有進行測量的時候，成像的狀態(tài)是未知的，通過測量另外一個光子的狀態(tài)，用于照明的光子的偏振狀態(tài)也會隨之確定，因此通過遠程切換糾纏光子對中的用于觸發(fā)的光子的偏振狀態(tài)可以得到不同的成像效果，可以實現(xiàn)成像的模式在正常模式和邊緣探測模式的遠程切換。此外，偏振糾纏光子在時間上也具有極高的關(guān)聯(lián)性，通過糾纏光源照明，并且利用符合探測的方式，研究團隊證明了在極弱光場照明下，在單光子CCD采集的總等效光子數(shù)相同的情況下，基于糾纏照明和符合探測相對于直接照明探測具有更高的信噪比。

圖1.成像狀態(tài)切換示意圖和實驗原理圖

圖2.不同偏振下成像效果圖和糾纏光子照明與單光子直接照明效果對比

該工作是量子超表面研究在圖像邊緣探測的一次嘗試，在圖像加密和隱寫上具有潛在的應用，另外在光子照明匱乏的場景如酶反應跟蹤與生物活體細胞的觀察上，較高的信噪比會表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，該工作將會促進更多的關(guān)于量子光學和超表面材料相結(jié)合的相關(guān)研究。

湖南大學博士生周軍曉和中國科學技術(shù)大學博士生劉世凱為論文的共同第一作者。中國科學技術(shù)大學周志遠副教授、湖南大學羅海陸教授、美國加利福尼亞大學Zhaowei Liu教授為論文的共同通信作者。這項工作得到國家基金委、中科院、科技部和安徽省重大研究專項的支持。

文章鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/51/eabc4385

（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）

新聞鏈接：http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73606.htm

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