中國科學技術大學郭光燦院士團隊在量子橢圓偏振成像研究中取得重要進展：該團隊史保森教授、周志遠副教授課題組將高品質偏振糾纏光源與經典偏振成像技術相結合，在弱光場下實現了對周期性分布各向異性材料雙折射特性的觀測，并且展示了在同等光強環境下，該系統相較于經典測量系統具備更高的探測準確度及抗雜散光干擾能力。這項成果于4月4日在線發表在國際知名期刊《Npj quantum information》上。
偏振成像技術能夠捕捉材料中與偏振相關的特性，顯著增強傳統成像中難以區分的背景與目標對比度，并能測量常規成像無法探測的光學常數、手性特征、應力應變分布等參數，其應用范圍涵蓋基礎物理研究以及目標識別、應力檢測、生物醫學診斷和遙感等前沿領域。在偏振成像中引入量子光源照明為提高測量精度開辟了一條新的途徑，特別是在低照度領域，科研人員已在理論及實驗上證明特定的量子光源在同等光照強度下具備打破標準量子極限的能力，且糾纏光子源的非局域特性在遠程操控領域同樣具有重要意義。到目前為止，量子成像工作的重點是精確測量被測樣品的外部形狀，與偏振相關的量子研究大多聚焦在對均勻材料的單點雙折射特性檢測，而將偏振成像與量子糾纏相結合的工作仍有待探索。
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典量子光源的制備與應用相關研究，目前已經將量子光源應用于量子超表面邊緣探測[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。在這項工作中，團隊將在偏振糾纏量子光源的制備與表征方面的優勢引入到經典光度式偏振檢測系統中，通過構造控制端和測量端分離的雙路偏振檢測結構，實現了量子橢偏成像系統的構建。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，以結構相似性指數(SSIM)作為定量衡量成像品質的標準，在光照強度逐漸減弱至百光子量級的低照明條件以及不同強度的雜散光擾動光源下，對量子及經典偏振成像系統的結果進行質量評估和比對，驗證了弱光條件下量子橢偏成像系統具備更高的測量準確性以及更強的抗干擾特性。此外，團隊利用糾纏光源所特有的非局域性展示了系統在遠程操控入射偏振態方面的特性，該特性使得量子橢偏系統在檢測過程中對測量光路的干擾降到更低水準，有利于探測結果的穩定，并適用于一些不可達或易擾動的復雜探測環境。
圖1.(A)實驗裝置圖和(B)光源質量評估
圖2.實驗結果圖。(A)不同入射光強下成像比對(B)不同噪聲環境下成像比對(C)系統最低可成像光強探索
該工作是量子糾纏與偏振成像相結合的一次有趣的嘗試。通過結合兩領域各自的優勢，該系統有望在光敏薄膜材料的偏振特性檢測，無接觸、無創式生物醫學偏振成像，以及復雜天氣環境中的目標識別等方向實現潛在應用。中國科學技術大學已出站的博士后解孟雨與已畢業的博士生牛素儉為共同第一作者，史保森、周志遠為論文共同通訊作者。這項工作得到了國家自然科學基金委、中國科學院、科技部和中國科大“雙一流”建設經費的支持。
