技术领域
[0001] 本
发明涉及量子
力学领域，更具体地，涉及利用非退化频率缠结光子成像。
背景技术
[0002] 量子缠结(quantum entanglement)为一种
量子力学现象，其中两或更多个对象的量子属性被相互参照地描述，即使各个对象可能在空间上分离也如此。当如果光子A的一个属性已知、则也就知道了光子B的相应属性时，则称这两个光子A与B被缠结，并且形成了双光子系统。例如，如果将两个光子以缠结状态准备、并且观察到一个光子具有特定的极性，则另一个光子将具有已知的极性。
发明内容
[0003] 根据本发明的一个方面，对可能至少被部分遮蔽的对象成像。生成频率缠结的光子。该频率缠结的光子包括具有第一与第二频率的光子。具有第一频率的那些光子穿过遮蔽(obscuration)，并且照射对象。通过考虑到达时间的一致性，使用被对象散射的光子以及具有第二频率的光子来形成图像。
附图说明
[0004] 图1为根据本发明
实施例的方法的图示；
[0005] 图2为根据本发明实施例的系统的图示；
[0006] 图 3 为 用 来 生 成 非 退 化 频 率 缠 结 光 子 (nondegenerate frequency-entangledphotons)并且沿分离的路径发送光子的示范性装置的图示；
[0007] 图4为根据本发明实施例的
跟踪对象的方法的图示；
[0008] 图5为根据本发明实施例的进行监视的方法的图示；
[0009] 图6为根据本发明实施例的进行非破坏性检查的方法的图示。
具体实施方式
[0010] 参照图1，其显示利用频率缠结光子对对象成像的方法。该对象可能至少被部分遮蔽。即，该对象可能至少被部分遮蔽，或者可能被完全遮蔽。此处所使用的“遮蔽”(obscuration)指至少部分遮蔽对象的一或多个遮蔽物。
[0011] 频率缠结指一种量子力学现象，其中两个光子具有相关的不同
波长。光子可以被物理地分离，但仍然会保持频率的缠结。例如，如果双光子系统的总
能量为ε12＝ε1+ε2，则知道了ε1，也就立刻得到ε2，反之亦然，并且任何光子的能量与其波长成反比。光子可能是退化的，即具有相等的频率(ε1＝ε2，)，或者它们可能是非退化的，即ε1≠ε2。
[0012] 在
块110，生成非退化频率缠结光子。频率缠结光子包括具有第一与第二频率的光子。选择第一频率从而光子可以穿过遮蔽。虽然具有第一频率的光子能够穿过遮蔽，但是其将不会以足够的解晰度形成对象的图像。
[0013] 典型地，第二频率将比第一频率高得多。第二频率对应于成像解晰度。
[0014] 在块120，以具有第一频率的光子照射对象。遮蔽不会使对象不被照射，因为具有第一频率的光子会穿过遮蔽物。对象会散射光子。
[0015] 在块130，使用被对象散射的光子以及具有第二频率的光子来形成图像。利用光子缠结来将成像能力扩展超出典型光的传统观测限制。由于缠结，图像的解晰度将比其仅通过具有第一频率的光子形成时的高。
[0016] 当形成图像时，考虑到达时间的一致性。在一
时间窗口内，被对象散射的光子的某些属性(例如相干性)保持与具有第二频率的光子相关。在该时间窗口之外，该属性变得不相关。使用具有第二频率的相关光子来增加图像的解晰度。
[0017] 现在参照图2，其显示用来对至少被部分遮蔽的对象成像的系统210。遮蔽示意性地以
云团表示。但是，遮蔽不限于可见的悬浮粒子团。如以后可以看出，遮蔽依赖于应用。
[0018] 系统210包括具有第一与第二频率的非退化频率缠结光子的生成器220。频率缠结光子可以通过参数下变换(parametric down conversion，PDC)或者某些其他方法生成。其中方法包括但不限于：光子晶体中的四波混合(例如参见 de Dood et al.“Nonlinear Photonic Crystals as a Source ofEntangled Photons，”PhysRevLett.93.050405，2004)；使用微结构
纤维来生成高度受限电
磁场(例如 参 见 Sharping et al，“Quantum-correlated twinphotons from microstructure fiber，”Optics Express 3086，vol.12，no.14，2004)；半 导体 量子 阱(例如 参见Hayat et.al.，“High-RateEntanglement Source via Two-Photon Emission from SemiconductorQuantum Wells”arXiv quant-ph/0612124，2006)；
量子点结构(例如参 见 Stevenson et.al.，“A semiconductor source of trigger edentangledphoton pairs”Nature，vol.439，pp.179-82，2006)；以及亮二色光子源(例如参见Pelton et al.，“Bright，single-spatial-mode source offrequency non-degenerate，polarization-entangled photon pairs usingperiodically poled KTP”Optical Express 3573，vol.12，no.15，2004)。
[0019] 光子生成器220向下沿第一路径P1发送具有第一频率的光子，并且向下沿第二路径P2发送具有第二频率的光子。向下沿第一路径P1发送的光子穿过遮蔽。如果对象位于第一路径P1中，则该对象将被具有第一频率的光子照射。如果这样被照射，则该对象将散射具有第一频率的光子。
[0020] 第二路径不限于任何长度、任何环境等等，只要第二路径不干扰缠结即可。例如，第二路径可以为长并且不受遮蔽，其可以为短并且在受控环境中等等，只要缠结不受干扰即可。
[0021] 系统210包括第一检测器230与第二检测器240，其能够对各个光子计数。检测器230或240可以为在其上扫描光子的单个检测器、在其上扫描光子的线性阵列、或者不需要扫描的2-D阵列。每个检测器230与240感测
电磁场，并且输出所感测场的
相位与幅度。
[0022] 第二检测器240位于第二路径P2中，并且检测向下沿第二路径P2发送的光子。第二检测器240输出由具有第二频率的光子形成的电磁场的相位与幅度。
[0023]
定位第一检测器230以检测对象散射的光子。第一检测器230收集所有可能的光子，并且输出由散射光子形成的电磁场的相位与幅度。
[0024] 系统210还包括
电路250，其响应于第一检测器230与第二检测器240，用来成像。可以在由设置的成像属性所确定的相关平面中形成图像。“设置”指对象、检测器、以及光学部件之间的距离。成像属性依赖于这些距离。
[0025] 可以通过对第一检测器与第二检测器所检测的光子的复
电场进行二阶相关，来在相关平面中形成图像。一致性计数值被映射作为第二检测器240的x-y坐标的函数。一致性计数测量在第一检测器230上测量的复电场乘以在第二检测器240上测量的复电场的乘积的时间平均值。复电场可以相位与幅度描述。在论文Pittman et al.，“Two photon geometric optics，”TheAmer ican Physical Society，vol.53，no.4，1996，pp.2808 and2813-14中描述了计算二阶相关的例子。
[0026] 根据Pittman et al.的论文，可以计算一致性计数率为所涉及的横向空间参数的函数，并且可以将该函数最小化以获得最清晰的图像。但是，不总是需要“最清晰”的图像。虽然对于本发明的某些实施例可能优选最清晰的图像，但是对于其他实施例轻微模糊或者失焦的图像可能较适合。
[0027] 其间光子保持保持相关的时间窗口的长度在小于10ns的级别上。该时间窗口长度将依赖于
泵光束
质量(pump beam qualities)，例如带宽。
[0028] 在某些实施例中，第一检测器230可以包含“桶式检测器”。桶式检测器指多模式检测器，其中联合测量传播通过对象的所有模式。桶式检测器检测是否存在光子而不是光子的
位置。桶式检测器收集对象散射的所有光子，并且象第二检测器240的定时
门那样动作。定时门允许第二检测器240知道何时开始其观察以及开始计数一致性。
[0029] 在某些实施例中，第二路径P2比第一路径短。为了保证电路250上的一致性，可以光学手段延迟沿较
短路径的光子，从而
信号以大致相同的时间到达一致性电路250。作为第一个例子，可以通过添加镜子、并且迫使光子通过较长的距离，以光学手段延迟沿沿第二路径P2的光子。作为第二个例子，可以在第二路径P2中插入折射率>1的光学元件，以光学手段延迟沿沿第二路径P2的光子。这将使透射通过该元件的光子慢下来。
[0030] 可替换地，电路250可以保证一致性。例如，一致性计数器250可以通过进行特定的所希望的窄波长的光子之间的交叉相关测量，测量感兴趣的光子到达之间的时间延迟。在两个通道之间的适当的延迟时间上，将具有峰值(即显示许多一致性)。
[0031] 图3为用来生成频率缠结光子并且沿分离的路径向下发送那些光子的装置310的(2)图示。波长λ0上的
激光器320照射χ 晶体330，并且进行下变换以生成λ1与λ2上的两个光子。相位匹配条件要求 与 。可以选择波长λ1用于遮蔽中的
最优传播。通过改变晶体330相对于进入光束的
角度，获得特定波长。可以生成光子为脉冲或者连续波。
[0032] 分光器340向下沿第一路径发送λ1上的光子，并且向下沿第二路径发送λ2上的光子。分光器340还滤除其他波长。
[0033] 某些实施例可能通过生成所谓“
挤压”状态下的缠结光子，利用非经典光学场的其他属性。挤压状态为以下状态，其中量子噪声被非均匀地分布在复电场的两个
正交(quadrature)之间。在此类状态下，可以
相位噪声为代价，使幅度的噪声小于标准量子限制，或者反之。这允许增加桶式检测器的敏感度，因为其仅检测是否存在光子。挤压状态可以通过非线形光学处理(例如四波混合)生成。然后，通过适当的光具组(包括N个分光器)或者相等的技术，将挤压状态光子缠结到第N度。
[0034] 生成频率缠结光子不限于仅具有两个不同频率的光子。可以生成具有三个、四个、或者更多个频率的光子，并且用来照射对象、增加图像解晰度、或者既照射对象又增加图像解晰度。
[0035] 例如，可以在第二路径P2中使用所谓的“N00N状态”。N00N状态为一种量子力学缠结状态，以以下等式描述：
[0036]
[0037] 其表示模式a下的N个粒子与模式b下的零个粒子
叠加，反之亦然。当使用N光子的N00N状态时，解晰度与Lambda/N成比例，其中Lambda为光子波长。由此，成像解晰度对于较高阶N00N状态较好。可以第N阶N00N状态生成光子，其中N≥2。
[0038] 利用频率缠结光子对对象成像不限于任何特定应用。但是，该成像特别有利，因为穿透遮蔽的光子的波长可以与确定成像解晰度的光子的波长不同。该优点在以下三种应用中变得明显：对象跟踪、监视、以及非破坏性检查。
[0039] 参照图4，其显示进行对象跟踪的方法。可以使用图2所示
硬件来跟踪对象。在块410，利用非退化缠结光子获取对象的图像。选择第一频率从而光子可以穿过空中的遮蔽并且照射正在跟踪的对象。如果对象为飞机或者其他空中对象，则选择第一频率穿过云、雾、以及其他大气遮蔽(例如
湍流)。例如可以使用毫米范围内的第一频率35或者94GHz。
[0040] 为了跟踪海上的对象，包括
水下的对象，选择第一频率穿透水。可以使用蓝绿光，例如530nm上，或者486nm上的氢β线。
[0041] 为了跟踪陆地车辆，选择第一频率，从而光子可以穿过空气、灰尘、烟、雾、以及其他大气遮蔽。
[0042] 选择第二频率，以允许在所获取的图像中看出对象的细节。例如，第二频率可以在红外线或者可见
光谱中。
[0043] 可以使用望远镜、瞄准镜、或者其他光学组件来将具有第一频率的光子指向对象(该光学组件例如可以为图2的光子生成器220的部分)。将在所获取的图像中出现第一(例如桶式)检测器
视野中以及在第二检测器视野中所
覆盖的任何东西。
[0044] 在块420，处理器估计正在跟踪的对象的预期位置。例如，可以在所获取的图像中识别对象。将当前图像中的对象位置与一或多个先前获取的图像中的对象位置相比较，并且位置之间的(多个)差异用来估计对象将在下一图像获取期间所在的地点。另外，可以进行对象识别(例如，通过比较所获取的对象与所存储的参考图像)，以确定是否正在跟踪正确的对象。
[0045] 在块430，调整硬件以观看预期位置上的对象。例如，可以将望远镜、瞄准镜、或者其他光学组件重新定向以观看预期位置。
[0046] 可以重复块410、420、以及430的功能，以持续跟踪对象。
[0047] 将图4的方法与使用常规光电/红外线(EO/IR)有源成像系统的方法比较。云、雾、以及其他大气遮蔽物将会给该此类常规系统带来很大限制。常规系统限于可以穿透这些遮蔽物、并且还提供足够的成像解晰度的波长。在另一方面，利用缠结光子成像允许为遮蔽选择第一最优频率，并且为成像解晰度选择第二最优频率。
[0048] 现在参照图5，其显示对被遮蔽的对象进行监视的方法。可以使用图2所示的硬件来进行监视。在块510，生成非退化频率缠结光子。在块520，将具有第一频率的那些光子沿第一路径引导向遮蔽。选择第一光束的频率，使得光子穿过遮蔽，并且照射遮蔽(例如
墙壁、
窗户、或者其他人造结构)之后的(多个)对象。还可以选择频率以
预防反监视措施。
[0049] 还是在块520，将具有第二频率的那些缠结光子沿第二路径引导。选择第二频率以提供足够的图像解晰度。
[0050] 在块530，检测由被遮蔽的(多个)对象所散射的光子以及沿第二路径的光子。在块540，生成图像。所获取的图象将揭示遮蔽之后的对象的细节。
[0051] 现在参照图6，其显示对
复合材料形成的结构进行非破坏性检查(NDI)的方法。可以使用图2所示的硬件来进行NDI。在块610，生成非退化频率缠结光子。在块620，将具有第一频率的那些光子沿路径引导向复合结构。可以使用射频波。
[0052] 还是在块620，将具有高图像解晰度的波长的那些光子沿第二路径引导。高图像解晰度的频率可以在毫米光谱中，以获得较高的成像解晰度，其允许识别结构变化(例如裂缝、
腐蚀)。
[0053] 在块630，检测光子。在块640，生成图像。
[0054] 可以重复块610-640的功能，以生成不同结构的不同图像(块650)。另外，可以调整具有第一波长的那些光子的焦点，以观看不同深度上的结构。例如，可以使用第一焦点来观看在复合面板中的结构变化。然后可以使用第二焦点来观看在该面板之后的复合元件中的结构变化。
[0055] 在块660，分析图像以识别结构中的结构变化。结构变化可能会散射或者阻挡光子。依赖于结构变化，结构变化可能会出现在图像中作为较亮的块、较黑的块、或者具有不同纹理的块。
[0056] 可以使用图6的方法来对由复合材料(例如
碳加强塑料(CRFP))形成的某些飞机结构(面板、加强物、肋板、梁柱等等)进行NDI。例如，可以使用该方法来识别在飞机结构中的裂缝、腐蚀、以及其他状态变化。
