利用量子干涉实现更清晰成像的新途径

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朴茨茅斯大学的一项新研究提出了一种可能的方法，用于改进区分两个紧密相邻光源的能力——这一问题长期以来一直困扰着经典成像系统。这项发表在《Physical Review Applied》上的研究，利用量子物理原理来估计发光物体之间的微小间距，未来可能在显微镜学、天文学和遥感等领域得到应用。

研究表明，一种相对简单的量子装置可用于提取传统上受所谓“瑞利判据”限制的空间信息。瑞利判据是一条可追溯至一个多世纪前的规则，它定义了经典分辨率的极限。

研究首席研究员兼共同作者、朴茨茅斯大学量子科学与技术中心主任Vincenzo Tamma教授表示：“这项研究表明，从理论上讲，通过测量分束器上来自两个微弱遥远热光源之一的光子与实验室制备的参考光子之间的干涉，能够实现超分辨率，以估计两光源的横向距离。尽管这一想法尚未经过实验验证，但我们的结果表明，它可以利用现有技术高效实现，无需复杂的光学元件。”

图：双光子干涉仪。来自两个具有相对横向位移Δx的热光源的单光子P₂，与参考光源产生的光子P₁在平衡分束器上发生干涉。远场中的两台相机C₁和C₂用于解析这两个光子的横向动量，同时记录光子是入射到同一台相机还是不同相机。通过在输出端收集相对较少的采样事件，即使当 Δx≃0 时，也能优化提取关于光源间距的信息。
来源：Salvatore Muratore等

该方法依赖于在分束器的输出通道处使用两台相机观测双光子干涉，这两台相机可解析远场中的探测位置。通过分析光子的记录方式是在同一台相机还是不同相机中，以及具体位置，科学家可以测量两个未分辨光源之间的距离。据研究团队称，即使光源之间的间距小到传统成像方法无法分辨时，该方法依然有效。

目前的精度结论基于模拟和理论建模。该研究假设了理想条件，尚未考虑实验室或野外环境中可能遇到的实际噪声源、光子损耗或光学缺陷。

然而，所提出的装置结构简单，无需复杂的光学组件，这使其成为极具潜力的实验候选方案。

Tamma教授指出：“这可能成为一种高效的方法，使成像物体的分辨率超越经典极限。如果在实践中可行，这可能是获得更清晰图像的一种更简单的方式，但我们仍需测试该方法在理想实验室条件之外的表现如何。”