中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子橢圓偏振成像研究中取得重要進(jìn)展：該團(tuán)隊(duì)史保森教授、周志遠(yuǎn)副教授課題組將高品質(zhì)偏振糾纏光源與經(jīng)典偏振成像技術(shù)相結(jié)合，在弱光場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)了對(duì)周期性分布各向異性材料雙折射特性的觀測(cè)，并且展示了在同等光強(qiáng)環(huán)境下，該系統(tǒng)相較于經(jīng)典測(cè)量系統(tǒng)具備更高的探測(cè)準(zhǔn)確度及抗雜散光干擾能力。這項(xiàng)成果于4月4日在線發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Npj quantum information》上。

偏振成像技術(shù)能夠捕捉材料中與偏振相關(guān)的特性，顯著增強(qiáng)傳統(tǒng)成像中難以區(qū)分的背景與目標(biāo)對(duì)比度，并能測(cè)量常規(guī)成像無(wú)法探測(cè)的光學(xué)常數(shù)、手性特征、應(yīng)力應(yīng)變分布等參數(shù)，其應(yīng)用范圍涵蓋基礎(chǔ)物理研究以及目標(biāo)識(shí)別、應(yīng)力檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)診斷和遙感等前沿領(lǐng)域。在偏振成像中引入量子光源照明為提高測(cè)量精度開(kāi)辟了一條新的途徑，特別是在低照度領(lǐng)域，科研人員已在理論及實(shí)驗(yàn)上證明特定的量子光源在同等光照強(qiáng)度下具備打破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的能力，且糾纏光子源的非局域特性在遠(yuǎn)程操控領(lǐng)域同樣具有重要意義。到目前為止，量子成像工作的重點(diǎn)是精確測(cè)量被測(cè)樣品的外部形狀，與偏振相關(guān)的量子研究大多聚焦在對(duì)均勻材料的單點(diǎn)雙折射特性檢測(cè)，而將偏振成像與量子糾纏相結(jié)合的工作仍有待探索。

史保森教授、周志遠(yuǎn)副教授等人長(zhǎng)期從事基于非線性過(guò)程的非經(jīng)典量子光源的制備與應(yīng)用相關(guān)研究，目前已經(jīng)將量子光源應(yīng)用于量子超表面邊緣探測(cè)[Sci.Adv.6，eabc4385（2020）]、偏振干涉儀中的光子干涉行為研究[Phys.Rev.Lett.120，263601（2018）]等工作中。在這項(xiàng)工作中，團(tuán)隊(duì)將在偏振糾纏量子光源的制備與表征方面的優(yōu)勢(shì)引入到經(jīng)典光度式偏振檢測(cè)系統(tǒng)中，通過(guò)構(gòu)造控制端和測(cè)量端分離的雙路偏振檢測(cè)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了量子橢偏成像系統(tǒng)的構(gòu)建。該工作選取具有周期性雙折射特性的各向異性材料作為樣品，以結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)（SSIM）作為定量衡量成像品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，在光照強(qiáng)度逐漸減弱至百光子量級(jí)的低照明條件以及不同強(qiáng)度的雜散光擾動(dòng)光源下，對(duì)量子及經(jīng)典偏振成像系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估和比對(duì)，驗(yàn)證了弱光條件下量子橢偏成像系統(tǒng)具備更高的測(cè)量準(zhǔn)確性以及更強(qiáng)的抗干擾特性。此外，團(tuán)隊(duì)利用糾纏光源所特有的非局域性展示了系統(tǒng)在遠(yuǎn)程操控入射偏振態(tài)方面的特性，該特性使得量子橢偏系統(tǒng)在檢測(cè)過(guò)程中對(duì)測(cè)量光路的干擾降到更低水準(zhǔn)，有利于探測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定，并適用于一些不可達(dá)或易擾動(dòng)的復(fù)雜探測(cè)環(huán)境。

圖1.（A）實(shí)驗(yàn)裝置圖和（B）光源質(zhì)量評(píng)估

圖2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。（A）不同入射光強(qiáng)下成像比對(duì)（B）不同噪聲環(huán)境下成像比對(duì)（C）系統(tǒng)最低可成像光強(qiáng)探索

該工作是量子糾纏與偏振成像相結(jié)合的一次有趣的嘗試。通過(guò)結(jié)合兩領(lǐng)域各自的優(yōu)勢(shì)，該系統(tǒng)有望在光敏薄膜材料的偏振特性檢測(cè)，無(wú)接觸、無(wú)創(chuàng)式生物醫(yī)學(xué)偏振成像，以及復(fù)雜天氣環(huán)境中的目標(biāo)識(shí)別等方向?qū)崿F(xiàn)潛在應(yīng)用。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)已出站的博士后解孟雨與已畢業(yè)的博士生牛素儉為共同第一作者，史保森、周志遠(yuǎn)為論文共同通訊作者。這項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、科技部和中國(guó)科大“雙一流”建設(shè)經(jīng)費(fèi)的支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41534-025-01014-z

（中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）

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