揭示单像素量子鬼成像中的嵌入相位

当形成物体的图像时，例如手机拍摄的照片，与物体相互作用并穿过或反弹的光被手机中的探测器捕获。

大约25年前，科学家们设计了另一种不那么直接的方法。在传统形式中，通过组合来自一个捕获与物体相互作用的光和一个根本没有与物体相互作用的光的信息，使用从两个探测器收集的信息。然而，正是从未与用于获取图像的物体相互作用的光，导致该技术被称为“鬼影成像”。

当使用纠缠光时，可以利用量子特性在非常低的光照水平下做到这一点，这在生物成像中观察光敏样品时可能是一个很大的优势，因为过多的光会损坏或改变样品，从而破坏人们想要看到的东西 - 这是现场的一个难题。

使用直接或间接成像，正在形成的图像是允许多少光通过的结果，因此是物体透明度的结果。然而，物体可以与光进行另一种类型的相互作用，它可以揭示一些重要信息并显示丰富的特征。

这是通过的光的加速或减慢，显示为相位。这意味着您可以看到正在成像的物体的更多特征和属性，例如厚度变化(给出一个 3D 信息)，或者内部是否有不同的透明材料在折射率方面变化足够大，以至于它会改变光的相位。而且由于这是从所有通过的光线中发出的，因此您通常无法检测到它，通常需要复杂的策略和安排才能做到这一点。

南非金山大学(Wits University)结构光实验室的研究人员最近开发了一种通过利用传统量子幽灵成像中的“副作用”以非常简单的方式做到这一点的方法。该研究发表在Optica杂志上。

“我们可以看到相位，这是物体的一个隐藏特征，通常很难揭示，但如果可以的话，它会非常强大。例如，LIGO就是探测引力波的方式。现在我们可以很容易地显示物体中的隐藏相，进入生命系统的内部结构，带来3D(厚度)而不仅仅是常规物体的2D信息，并开辟了量子计量学的新方法 - 量子版本的LIGO，等等，“金山大学实验室负责人安德鲁福布斯教授说。

为了从这里的非相互作用光中检测“鬼影”图像，研究人员有两种方法可供选择。一种是使用电荷耦合器件(CCD)，就像手机中的那样，但高度“增强”，以便以光子的形式看到最小形式的光。然而，这也伴随着同样激烈的价格标签。

另一种选择可以是一个简单的“单像素”探测器，它只能看到收集了多少光，不能给你任何空间信息。在这里，现在可以将光线放置在该探测器前面并更改遮罩，以显示空间信息，并允许人们通过将所有这些信息加在一起来重建图像。

这在被检测光的波长和效率方面具有更大的多功能性，同时价格也低得多。事实上，这是开发更灵敏相机之前使用的方法，也是团队用来检测相位信息的方法。

“进一步比较LIGO，你可能会认为看到相位是非常复杂和昂贵的。事实上，量子世界也是如此，现有的方法使用花哨的相机和复杂的光学系统，这些系统体积庞大且昂贵。我们的方法使我们能够仅使用单个像素探测器即可看到所有这些，“福布斯说。

“我们的方法允许使用基本上没有分辨率的探测器实现出色的分辨率。我们通过一个以前没有人意识到的数字技巧来做到这一点。这个隐藏的阶段信息总是在那里，但你必须知道在哪里寻找它。

他们之所以做到这一点，是因为意识到某些掩模对基于您如何构建它们的相成分自然敏感，并且可以智能地设计以揭示完整的详细相结构以及该技术通常用于的常规信息。在这样做的过程中，为使用量子光在单像素成像中对样品进行成像的方式增加了一层额外的有用性，从而有可能在3D中看到 - 揭示物体的厚度或厚度，甚至是透明的物体。

“我们发现这些信息一直隐藏在技术中，通过一些调整可以让你看到非常丰富和有趣的功能，”该论文的第一作者Bereneice Sephton说，他与结构光实验室的同事一起从事该项目，Isaac Nape博士，Chane Moodley和Jason Francis在她的博士学位期间。

“我们希望这可以用于敏感生物样品的成像，以查看特征和特性，如果没有它，这些特征和特性将需要更复杂或更昂贵的手段。

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