量子成像技术新突破：基于非线性超表面的光子对生成与应用

研究背景与问题

近年来，量子成像技术因其在低光子通量、超越经典衍射极限分辨率和高安全性的潜在优势而备受关注。然而，传统的量子成像系统依赖于体块非线性晶体（如BBO或PPKTP），这些材料的厚度通常在毫米级别，导致其在横向动量匹配条件下的发射角度范围受限，从而限制了成像视场（Field of View, FOV）和分辨率。此外，传统晶体的可调性有限，难以实现多波长操作或快速光束扫描。

为了解决这些问题，研究人员将目光转向了超表面（metasurfaces）。超表面是一种亚波长厚度的平面光学器件，通过设计纳米结构可以增强和定制非线性光学过程。此前的研究已经证明，非线性超表面能够显著增强纠缠光子对的生成效率，并实现空间、偏振和光谱纠缠的精确调控。然而，这些技术的实际应用潜力尚未被充分探索。

本文的研究团队旨在揭示非线性超表面在量子成像中的独特优势，并开发一种结合“鬼成像”（ghost imaging）和全光学扫描成像的新协议。该研究不仅扩展了量子成像的应用范围，还展示了超表面在量子技术中的巨大潜力。

论文来源与作者信息

这篇论文由Jinyong Ma、Jinliang Ren、Jihua Zhang等共同撰写，通讯作者为Andrey A. Sukhorukov。研究团队来自澳大利亚国立大学（Australian National University, ANU）、墨尔本大学（University of Melbourne）以及中国松山湖材料实验室（Songshan Lake Materials Laboratory）。论文发表于2025年《eLight》期刊（官方期刊CIOMP，DOI: 10.1186/s43593-024-00080-8）。

研究内容与方法

a) 研究流程与实验设计

1. 超表面的设计与制备

研究团队设计了一种基于铌酸锂（lithium niobate, LN）薄膜的非线性超表面，其上覆盖一层二氧化硅（silica）光栅。超表面的厚度仅为300纳米，远小于传统非线性晶体。这种设计支持两种非局域光学共振模式：一种沿光栅方向（z方向）具有近平坦的色散特性，另一种在垂直于光栅的方向（y方向）表现出二次色散特性。

制备过程中，研究团队使用电子束光刻（electron beam lithography）和感应耦合等离子体刻蚀（inductively coupled plasma etching）技术，在铌酸锂薄膜上制造了周期性光栅结构。最终的超表面尺寸为400微米×400微米。

2. 光子对生成与表征

实验中，研究团队使用波长可调谐激光器（779–791纳米）泵浦超表面，生成空间纠缠的信号和闲频光子对。通过调节泵浦光波长，可以实现光子对在y方向上的发射角度扫描。同时，光子对在z方向上的发射角度较宽且反相关，适合用于鬼成像。

为了验证光子对的纠缠特性，研究团队测量了双光子符合计数（coincidence counting）和二阶关联函数( g^{(2)}(\tau) )。结果显示，( g^{(2)}(0) )值高达7000，远超经典界限（2），表明光子对具有强纠缠性。

3. 量子成像实验

研究团队设计了一个结合鬼成像和全光学扫描成像的实验装置。信号光子经过目标物体后被单像素探测器（bucket detector）收集，而闲频光子则被一维探测器阵列捕获。通过记录不同泵浦波长下的光子符合计数，研究团队成功重建了二维目标物体的图像。

实验分为两个部分： - 全光学扫描成像：在y方向上，通过调节泵浦波长扫描光子发射角度，实现目标物体的逐行成像。 - 鬼成像：在z方向上，利用光子对的空间反相关性，通过一维探测器阵列重建目标物体的图像。

4. 数值模拟与性能评估

为了进一步验证该方法的潜力，研究团队进行了数值模拟。结果表明，当超表面的孔径增大到10毫米时，成像视场可达1.4弧度/微米（y方向）和1弧度/微米（z方向），最小分辨距离分别为1毫弧度/微米和0.1毫弧度/微米。相比传统晶体，这种方法的分辨率单元数量提高了四个数量级。

b) 主要结果

1. 光子对生成效率与纠缠特性

实验数据显示，超表面的光子对生成效率为75 MHz/mW，比未图案化的铌酸锂薄膜高出65倍。这归因于超表面的共振增强效应和优化设计。

2. 成像分辨率与视场

实验重建的二维图像与光学相机拍摄的图像高度一致，处理后的图像重建成功率达到100%。数值模拟进一步表明，该方法在大视场和高分辨率方面具有显著优势。例如，当超表面孔径为10毫米时，成像分辨率接近衍射极限，视场范围大幅扩展。

3. 多波长成像与光束扫描

研究团队还探讨了非简并光子对的生成方法，包括倾斜超表面和准周期光栅设计。这些方法为多波长量子成像和快速光束扫描提供了新的可能性。

c) 结论与意义

这项研究表明，基于非线性超表面的量子成像技术在视场、分辨率和设备紧凑性方面均优于传统方法。具体而言： - 科学价值：揭示了非线性超表面在量子成像中的独特优势，为量子光学和量子信息科学提供了新工具。 - 应用价值：该技术可用于量子雷达、量子通信和生物医学成像等领域，具有广阔的应用前景。

d) 研究亮点

1. 创新性设计：首次将非线性超表面应用于量子成像，实现了大视场和高分辨率的结合。
2. 高效协议：提出了一种结合鬼成像和全光学扫描成像的新方法，简化了实验装置。
3. 多波长操作：展示了非简并光子对生成的可能性，为多波长量子成像奠定了基础。

e) 其他有价值的信息

研究团队指出，未来可以通过使用更高非线性系数的材料（如III-V族半导体或二维材料）和优化三重共振设计，进一步提高光子对生成效率。此外，超表面的灵活性还允许引入偏振、光谱和空间工程，以丰富成像数据。

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总结

这篇论文展示了非线性超表面在量子成像中的革命性潜力。通过结合鬼成像和全光学扫描成像，研究团队成功实现了高分辨率、大视场的二维图像重建。这一成果不仅推动了量子成像技术的发展，还为量子雷达、量子通信等领域的应用开辟了新途径。