Квантовая революция в визуализации: учёные научились кодировать изображения в фотонах
Учёные из Парижского института нанонауки при Университете Сорбонны разработали новый метод кодирования изображений в квантовые корреляции пар фотонов, что делает его невидимым для обычных методов визуализации. Этот метод основан на использовании запутанных фотонов, которые играют решающую роль в различных приложениях квантовой фотоники, включая квантовые вычисления и криптографию.
Запутанные фотоны получаются с помощью процесса, называемого спонтанным параметрическим понижением частоты (SPDC) в нелинейном кристалле. Во время SPDC один фотон из высокоэнергетического (синего) лазера разделяется на два запутанных фотона с более низкой энергией (инфракрасных). Исследователи предлагают метод структурирования пространственных корреляций запутанных фотонов в форме заданного объекта.
Эксперимент заключается в помещении объекта, который необходимо кодировать, в предметную плоскость линзы, расположенной перед кристаллом, а затем в использовании второй линзы для передачи его изображения на камеру. Без кристалла эта установка представляет собой обычную двухлинзовую систему формирования изображений, но при наличии кристалла происходит SPDC, производя пары запутанных фотонов в инфракрасном диапазоне.
Если только эти пары выбираются спектральным фильтром, интенсивность, полученная на камере после накопления множества фотонов, выглядит однородной и не раскрывает никакой информации об объекте. Изображение объекта появляется снова, только если оно реконструируется из пространственных корреляций между запутанными парами фотонов.
Для реконструкции такого изображения требуется камера, чувствительная к отдельным фотонам, а также специально разработанные алгоритмы для определения совпадений фотонов в каждом полученном изображении и извлечения их пространственных корреляций. Изображение объекта, первоначально переданное синим лазерным лучом, таким образом переносится в пространственные корреляции пар фотонов.
По словам Хлои Верньер, аспирантки и первого автора исследования, «Если мы наблюдаем луч обычным образом, подсчитывая фотоны один за другим, чтобы сформировать изображение, у нас создаётся впечатление, что информации нет. Но если мы сосредоточимся на одновременном поступлении фотонов и проанализируем, как они распределены в пространстве, то выявится закономерность».
Хьюго Дефьен, научный руководитель Хлои и последний автор исследования, добавил: «Мы на самом деле используем довольно недоиспользованную степень свободы света, а именно пространственные корреляции между фотонами, как холст, на котором печатаем изображение. Теперь мы хотим использовать это для разработки криптографических систем или визуализации в рассеивающих средах».
Благодаря своей гибкости и экспериментальной простоте этот подход может позволить разработать новые протоколы визуализации и найти применение в таких областях, как квантовая связь и криптография. Работая над свойствами кристалла, можно даже закодировать несколько изображений в одном пучке фотонных пар. Эти изображения можно было бы обнаружить, перемещая камеру в разные оптические плоскости, что позволило бы кодировать больше информации.