Kätkeä kuva fotonien kvanttikorrelaatioihin

Tutkijat ovat kehittäneet innovatiivisen menetelmän, joka mahdollistaa kuvan piilottamisen koodaamalla sen kvantti-korrelaatioihin fotoniparien avulla, mikä tekee siitä näkymättömän perinteisille kuvantamistekniikoille.


Kytkeytyneet fotonit ovat keskeisiä monissa kvanttiphotoniikan sovelluksissa, kuten laskennassa ja kryptografiassa. Tällaisia fotoneja voidaan luoda spontaanin parametrisen konversion (SPDC) avulla ei-lineaarisessa kristallissa, prosessissa, jossa korkean energian (sininen) laserifotonin muuntuu kahdeksi matalamman energian (infrapuna) kytkeytyneeksi fotoniksi.

Jotkin sovellukset vaativat erityisiä kvantti-korrelaatioita fotonien välillä, mikä tekee niiden hallinnasta olennaista. Tämän saavuttamiseksi voidaan esimerkiksi muuttaa laserin excitoinnin ominaisuuksia, mukaan lukien säteen spatiaalinen muoto.

Tutkiessaan tätä mahdollisuutta Pariisin Nanotieteiden Instituutin (INSP, CNRS / Sorbonne Université) tutkijat ehdottavat menetelmää, joka mahdollistaa kytkeytyneiden fotonien spatiaalisten korrelaatioiden muotoilemisen tietyn kaksidimensionaalisen profiilin muodossa. Kokeessa muoto, joka halutaan koodata, asetetaan objekti-tasoon linssin eteen ennen kristallia ja kuvataan toisen linssin avulla kamerassa (Kuva a).

Ilman kristallia järjestelmä on analoginen perinteisen kaksilinssisen kuvantamisjärjestelmän kanssa: kamerassa odotetaan näkevänsä (käänteinen) intensiivikuva objektista. Kristallin läsnä ollessa kuitenkin SPDC tuottaa kytkeytyneitä fotonipareja infrapunassa. Jos valitaan vain nämä parit spektrifiltrin avulla, kamerassa saatu intensiivisuus on homogeeninen eikä paljasta mitään tietoa muodosta (Kuva b).

Kuva ilmestyy uudelleen vain, jos rakennetaan kuva fotoniparien spatiaalisten korrelaatioiden perusteella (Kuva c), eli havaitsemalla jokaisen fotonin sijainti suhteessa niiden kaksosiin.


Tällaisen kuvan rekonstruoimiseksi tarvitaan erittäin valoherkkä kamera sekä räätälöityjä algoritmeja fotonien yhteensattumien tunnistamiseksi jokaisessa hankinnassa ja spatiaalisten korrelaatioiden erottamiseksi. Alun perin sinisen laserisäteen välittämä objektikuva on siis siirretty fotoniparien spatiaalisiin korrelaatioihin. Tämä tekee siitä näkymättömän perinteisessä intensiivimittauksessa (eli kun otetaan kuva), mutta se ilmenee korrelaatioiden mittauksessa.

Sen joustavuuden ja kokeellisen yksinkertaisuuden ansiosta tämä lähestymistapa voisi mahdollistaa uusien kuvantam protokollien kehittämisen ja löytää sovelluksia aloilla kuten kvanttikommunikaatio ja kryptografia. Työskentelemällä kristallin ominaisuuksien parissa olisi jopa mahdollista koodata useita kuvia samaan fotoniparien säteeseen, jotka ovat näkyvissä siirtämällä kameraa eri optisiin tasoihin, ja siten koodata enemmän tietoa. Tämä tutkimus on julkaistu Physical Review Letters -lehdessä.

Viite:
Kuvien piilottaminen kvantti-korrelaatioissa, Chloé Vernière ja Hugo Defienne, Physical Review Letters, julkaistu 29. elokuuta 2024.
Doi: 10.1103/PhysRevLett.133.093601
Avoin arkisto: arXiv