科学家研发抗噪声单像素量子成像系统

近日，大连理工大学教授曹暾团队研发了低成本、抗噪声单像素量子成像系统，成功实现了在极黑、极冷及高噪声等极端环境下的清晰目标成像，在量子成像领域取得重要突破。相关成果发表在《科学进展》。

量子照明成像是一种基于量子纠缠与光子关联特性的先进成像技术。该技术能够在极低光照和强噪声等极端条件下实现高质量成像，尤其适用于光敏或脆弱样品的无损探测，其在生物显微、材料分析与安全检测等领域展现出广阔的应用前景。然而，传统量子成像系统通常依赖于昂贵的增强型电荷耦合器件或单光子探测器阵列。同时，为维持纠缠光子对之间的时间同步，系统还需配备精密延迟线和高稳定性触发电子设备，这不仅增加了系统的复杂度和成本，也限制了其在便携化、实时成像场景中的应用。

基于上述背景，团队开发了一种新型量子成像系统。该系统通过非线性周期极化晶体，基于自发参量下转换过程产生高亮度量子照明纠缠光源，为成像提供“量子照明”。该系统的关键创新在于引入了旋转掩模结合循环哈达玛编码模式，并采用单光子探测器，替代了传统量子成像中昂贵且复杂的信号放大与同步设备，大幅降低了系统成本与复杂度。

团队还通过时间相关单光子计数技术验证了其优异的抗噪声性能，将门控时间提升至1 ns，实现了分辨率为41×43像素的单像素成像。实验结果表明，该系统成像速度可达2 fps，对应3.8 kHz的空间调制速率。此外，团队还实现了“量子鬼成像”演示，进一步证明了该量子成像系统在高速、低成本和强抗干扰能力方面的应用潜力。

该研究有望在深空探测、低温物理等领域发挥重要作用。