近日，光電工程與儀器科學學院曹暾教授團隊在《科學進展》（Science Advances）上發(fā)表重要研究性論文，研發(fā)低成本、抗噪聲單像素量子成像系統(tǒng)。我校為該論文的唯一通訊單位，博士生別書航為第一作者，曹暾教授為通訊作者。

曹暾教授課題組創(chuàng)新性地將基于循環(huán)哈達瑪掩膜的計算成像技術(shù)應(yīng)用于糾纏光子照明下的量子成像系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了在極黑、極冷及高噪聲等極端環(huán)境下的清晰目標成像，在量子成像領(lǐng)域取得重要突破。該項研究成果以“Using cyclic Hadamard masks for single-pixel quantum imaging under entangled photon illumination”為題，正式發(fā)表于國際權(quán)威期刊Science Advances。

圖1 單像素量子成像系統(tǒng)的組成。（A）單像素量子成像系統(tǒng)的實驗原理圖，其中位置A和B分別對應(yīng)于單像素成像和量子鬼成像配置。（B）所設(shè)計的矩形二進制掩模。（C）基于（B）設(shè)計的環(huán)形掩模。（D）制造的旋轉(zhuǎn)碼盤示意圖。

量子照明成像是一種基于量子糾纏與光子關(guān)聯(lián)特性的先進成像技術(shù)。該技術(shù)能夠在極低光照和強噪聲等極端條件下實現(xiàn)高質(zhì)量成像，尤其適用于光敏或脆弱樣品的無損探測，其在生物顯微、材料分析與安全檢測等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)量子成像系統(tǒng)通常依賴于昂貴的增強型電荷耦合器件或單光子探測器陣列。同時，為維持糾纏光子對之間的時間同步，系統(tǒng)還需配備精密延遲線和高穩(wěn)定性觸發(fā)電子設(shè)備，這不僅增加了系統(tǒng)的復雜度和成本，也限制了其在便攜化、實時成像場景中的應(yīng)用。

基于上述背景，課題組開發(fā)了一種新型量子成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過非線性周期極化晶體，基于自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生高亮度量子照明糾纏光源，為成像提供“量子照明”。該系統(tǒng)的關(guān)鍵創(chuàng)新在于引入了旋轉(zhuǎn)掩模結(jié)合循環(huán)哈達瑪編碼模式，并采用單光子探測器，替代了傳統(tǒng)量子成像中昂貴且復雜的信號放大與同步設(shè)備，大幅降低了系統(tǒng)成本與復雜度。

圖2 噪聲干擾下單像素量子成像實驗結(jié)果。（A）激光照射條件下長時間曝光所獲得的基準圖像。在0、10、25、100和800 kcps噪聲水平下通過（B）量子成像方法和（C）直接成像方法重建的圖像（從左至右呈現(xiàn)）。（D）對應(yīng)不同噪聲水平下量子成像和直接成像所重建圖像的信噪比。

課題組還通過時間相關(guān)單光子計數(shù)技術(shù)驗證了其優(yōu)異的抗噪聲性能，將門控時間提升至1 ns，實現(xiàn)了分辨率為41×43像素的單像素成像。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)成像速度可達2 fps，對應(yīng)3.8 kHz的空間調(diào)制速率。此外，課題組還實現(xiàn)了“量子鬼成像”演示，進一步證明了該量子成像系統(tǒng)在高速、低成本和強抗干擾能力方面的應(yīng)用潛力。目前，課題組正與相關(guān)單位緊密合作，積極推進該技術(shù)的工程化應(yīng)用研究，未來有望在深空探測、低溫物理等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。曹暾教授也因在納米光子學領(lǐng)域的系列貢獻，于2025年當選美國光學學會會士（Optica Fellow）。 該工作得到了國家自然科學基金項目、國家重點研發(fā)計劃項目的支持。研究成果原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw4799