大连理工大学光电工程与仪器科学学院曹暾教授团队研发低成本、抗噪声单像素量子成像系统

近日，光电工程与仪器科学学院曹暾教授团队在《科学进展》（Science Advances）上发表重要研究性论文，研发低成本、抗噪声单像素量子成像系统。我校为该论文的唯一通讯单位，博士生别书航为第一作者，曹暾教授为通讯作者。

曹暾教授课题组创新性地将基于循环哈达玛掩膜的计算成像技术应用于纠缠光子照明下的量子成像系统，成功实现了在极黑、极冷及高噪声等极端环境下的清晰目标成像，在量子成像领域取得重要突破。该项研究成果以“Using cyclic Hadamard masks for single-pixel quantum imaging under entangled photon illumination”为题，正式发表于国际权威期刊Science Advances。

图1 单像素量子成像系统的组成。（A）单像素量子成像系统的实验原理图，其中位置A和B分别对应于单像素成像和量子鬼成像配置。（B）所设计的矩形二进制掩模。（C）基于（B）设计的环形掩模。（D）制造的旋转码盘示意图。

量子照明成像是一种基于量子纠缠与光子关联特性的先进成像技术。该技术能够在极低光照和强噪声等极端条件下实现高质量成像，尤其适用于光敏或脆弱样品的无损探测，其在生物显微、材料分析与安全检测等领域展现出广阔的应用前景。然而，传统量子成像系统通常依赖于昂贵的增强型电荷耦合器件或单光子探测器阵列。同时，为维持纠缠光子对之间的时间同步，系统还需配备精密延迟线和高稳定性触发电子设备，这不仅增加了系统的复杂度和成本，也限制了其在便携化、实时成像场景中的应用。

基于上述背景，课题组开发了一种新型量子成像系统。该系统通过非线性周期极化晶体，基于自发参量下转换过程产生高亮度量子照明纠缠光源，为成像提供“量子照明”。该系统的关键创新在于引入了旋转掩模结合循环哈达玛编码模式，并采用单光子探测器，替代了传统量子成像中昂贵且复杂的信号放大与同步设备，大幅降低了系统成本与复杂度。

图2 噪声干扰下单像素量子成像实验结果。（A）激光照射条件下长时间曝光所获得的基准图像。在0、10、25、100和800 kcps噪声水平下通过（B）量子成像方法和（C）直接成像方法重建的图像（从左至右呈现）。（D）对应不同噪声水平下量子成像和直接成像所重建图像的信噪比。

课题组还通过时间相关单光子计数技术验证了其优异的抗噪声性能，将门控时间提升至1 ns，实现了分辨率为41×43像素的单像素成像。实验结果表明，该系统成像速度可达2 fps，对应3.8 kHz的空间调制速率。此外，课题组还实现了“量子鬼成像”演示，进一步证明了该量子成像系统在高速、低成本和强抗干扰能力方面的应用潜力。目前，课题组正与相关单位紧密合作，积极推进该技术的工程化应用研究，未来有望在深空探测、低温物理等领域发挥重要作用。曹暾教授也因在纳米光子学领域的系列贡献，于2025年当选美国光学学会会士（Optica Fellow）。 该工作得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目的支持。研究成果原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw4799

来源：光电工程与仪器科学学院
编辑：任亭钰 于舒雯