【科研进展】我组首次实现基于偏振纠缠和超表面的可控量子图像边缘检测

        我实验室在量子图像边缘检测中取得重要进展：史保森、周志远研究组与湖南大学罗海陆教授、加州大学圣地亚哥分校Zhaowei Liu教授研究组合作，利用高保真偏振纠缠源和高效介质超表面，实现了可远端控制的量子图像边缘检测。该成果12月17日发表在国际权威期刊《科学•进展》（Science Advances）上，并被国际科学资讯网站Phys.org进行了长篇评述。

        边缘检测是图像处理、计算机和机器视觉的重要工具，在机器和计算机视觉，医疗图像操作和车辆自动驾驶方面具有潜在应用。基于光学微分运算的边缘检测技术能够从整个图像中进行边缘检测的大规模并行处理，相较于传统的数字计算或模拟计算具有高效、平行运算、实时处理的能力。

        近年来，随着微纳加工技术的突飞猛进，基于轻薄可集成的超表面的各种实际应用被演示，尤其是用空间微分器去实现光学边缘检测。介电超表面结构通过激光直写技术制作在光学玻璃上，因此可以集成在传统的光学元件上。其中，湖南大学罗海陆研究团队先前的工作[PNAS 116(23) 11137 (2019)]，首次提出并从实验上实现了基于高效介电超表面的宽谱光学边缘检测方法。超表面和量子光学的交叉可能会带来新的机遇，但却很少被探索。

图1. 成像状态切换示意图和实验原理图

        史保森、周志远团队在基于Sagnac结构的高亮度偏振纠缠光源方面积累了大量的经验。与合作者首次提出了利用偏振纠缠光源的非局域特性，结合高效介质超表面引发的自旋霍尔效应，演示了可非局域控制的光学图像边缘检测开关。实验中，通过远程控制预报端光子的偏振状态，在成像端通过符合测量的方式采集图像，即可有选择性地远端提取图像的边缘模式以及常规模式，而无需对成像端进行任何操作。

        此外，该研究成果还展示了一种独特优势。在极弱光照明下，采用关联光子进行外部触发的符合测量方式，由于纠缠光子对的强二阶时间关联特性，相比传统内触发的直接探测方式，具有更高的信噪比。这种高信噪比对于生物领域，诸如跟踪酶反应，观察生物组织或光敏细胞等需极弱光场景非常有利。该量子边缘检测方案为后续发展新型可集成化的量子光学图像处理系统提供了新的思路，同时也为图像加密和信息隐藏等图像安全通信提供了一种新的方式。另外，超材料领域和量子光学领域的有机结合也丰富了不同学科交叉，产生更多具有应用前景的新机遇。

图2. 不同偏振下成像效果图（左）和纠缠光子照明与单光子直接照明效果对比（右）

        文章的第一作者是合作者周军晓和中科院量子信息重点实验室博士生刘世凯，通讯作者是周志远副教授，罗海陆教授以及Zhaowei Liu教授。该项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和教育部基金的支持。

论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/51/eabc4385

报道链接：https://phys.org/news/2020-12-metasurface-enabled-quantum-edge.html