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量子关联成像
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    量子关联成像,或称鬼成像 (Ghost imaging, GI) 是一种特殊的非直接成像方式,利用光场的二阶乃至高阶关联性质,间接重构出图像。鬼成像的突出特性是能够“离物成像”:不同于普通成像中照明光场经成像物体后直接由面阵探测采集的方式,鬼成像将照明光场分为两路,一路经过物体后用没有空间分辨率的桶探测器收集,另一路不与物体接触,直接由面阵探测器采集,两路测量结果再经关联计算重构出物体图像。由于这两路结果中的任一路都无法单独重构图像,而关联后就能得到正确结果,这种出人意料的成像方式因之得名“鬼成像”。

    鬼成像的最初想法是在研究参量下转换纠缠光子对在局域测量下的行为时被提出的。从1988年提出理论设想到1995年首次实验实现,早期的研究者们自然地把参量下转换光子对间的量子纠缠性质视作实现鬼成像的必要条件。然而从2002年开始,陆续有理论分析表明,不具有纠缠性质、传统上被认为是“经典”的赝热光乃至真热光也能作为鬼成像的照明光源,并相继完成了实验验证。对鬼成像本源的理解由此分为两派:或坚持“经典”光源亦蕴含非局域量子关联性质,鬼成像是纯粹的量子现象;或认为经典关联足敷使用,杀鸡焉用牛刀。两派争鸣至今,仍无定论。藉此,继 EPR 佯谬之后,鬼成像成为检验量子光学理论,特别是非局域关联性质的另一块试金石。鬼成像以及由此衍生出的鬼干涉 (ghost interference), 量子擦除 (quantum erasing) 和量子照明 (quantum illumination) 等课题已成为量子光学和量子信息领域的前沿研究方向。


鬼成像的实用化研究得益于计算鬼成像的提出和压缩感知算法 (compressive sensing, CS) 的引入。如果能预先得知甚至主动调制不经过物体那一路光场的强度空间分布,那么成像过程可以仅用一个桶探测器完成——实现这一技术的设备又被形象地称为单像素相机 (single-pixel camera). 这对特殊环境下不易制备高性能大面阵相机的极端成像任务具有重要意义。压缩感知算法对具有稀疏性的目标十分有效,能突破奈奎斯特采样极限对采样次数的限制,用较少的采样结果恢复重构出高保真结果,有效提高了鬼成像实用化程度,也拓宽了应用场景。同时,作为典型的新兴交叉学科和高新技术领域,鬼成像与激光雷达、高光谱、窄带滤光、超衍射极限分辨等应用光学和成像技术领域的高精尖技术手段的结合衍生出了众多有广阔应用前景的研究方向。鬼成像的研究,无论是基础探索还是技术应用,历久弥新,方兴未艾。