基于位置关联双光子的Shack-Hartmann波前传感技术实现量子自适应成像

为解决双光子空间相位畸变导致量子成像性能下降的问题，研究人员开展了位置关联双光子Shack-Hartmann波前传感（PCB-SHWS）研究，通过微透镜阵列实现双光子相位梯度的单次测量和重构，成功演示了针对塑料薄膜扰动的自适应成像校正。该技术为量子显微、遥感和通信中的实时波前校正提供了新方案。

　　

在量子信息技术的快速发展中，纠缠光子对的空间自由度展现出独特的优势，催生了量子成像这一前沿领域。通过利用空间纠缠光子，量子成像能够实现超越经典衍射极限的空间分辨率、对抗环境噪声的鲁棒性，以及鬼成像（Ghost imaging）、基于未检测光子的量子成像（quantum imaging with undetected photons）等反直觉成像现象。然而，与经典光学系统类似，量子成像系统在实际应用中同样面临大气湍流或光学器件缺陷引入的相位畸变问题，这些畸变会严重降低成像质量。传统的自适应光学技术通过波前传感和相位校正来克服这类问题，但在量子体系中，如何直接测量和校正作用于纠缠光子对的波前畸变仍是一个挑战。

以往的双光子波前测量方法存在明显局限性：有的需要借助经典光束探测畸变源，有的需通过扫描Zernike多项式系数进行间接优化（如传感器less方法），这些方法要么依赖外部参考，要么效率低下。针对位置关联双光子（position-correlated biphotons）的相位测量，本研究提出了一种创新性的单次测量方案——位置关联双光子Shack-Hartmann波前传感（PCB-SHWS），通过分析双光子位置质心分布直接重构波前相位，为量子自适应光学提供了更直接高效的解决路径。相关研究成果发表于《Light-Science & Applications》。

本研究主要采用以下关键技术方法：利用自发参量下转换（SPDC）源产生位置关联纠缠光子对；通过空间光调制器（SLM）施加可控相位图案；采用微透镜阵列实现波前分割；使用电子倍增CCD（EMCCD相机结合多帧协方差算法测量双光子联合概率分布（JPD）；基于二维Legendre多项式的模态法进行相位重构。实验样本为经SLM调制和塑料薄膜扰动的双光子场。

理论框架

PCB-SHWS的核心原理源于爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）纠缠态的位置-动量关联特性。对于具有完美位置关联（δ函数形式）和附加相位Φ(ρ)的双光子波函数，其质心分布（centroid marginal distribution）的峰值位置直接对应局部相位梯度平均值，与经典Shack-Hartmann波前传感器（SHWS）的物理量一致，但峰值宽度仅为经典结果的一半。通过微透镜阵列分割波前，每个子孔径内的双光子质心位移反映了该区域的相位梯度，从而可通过质心分布峰值位置重构整个波前相位。

实验设置

实验采用404 nm激光泵浦I类BBO晶体产生简并共线偏振纠缠光子对，通过4f系统将物体（USAF 1951分辨率靶）成像至SLM平面，SLM为每个光子添加相同相位图案后，光子对经微透镜阵列聚焦至EMCCD相机，相机通过多帧协方差计算获取JPD，并进一步推导质心分布。

双光子相位测量

研究人员测量了五种相位情况：无相位添加、双曲抛物面（鞍形）相位、多模式Legendre相位叠加、塑料薄膜扰动以及薄膜扰动后的相位校正。通过质心分布提取梯度场，并基于Legendre多项式模态法重构相位分布。结果显示，测量值与理论值高度吻合（均方根误差分别为0.0623λ和0.0502λ），验证了PCB-SHWS的有效性和准确性。

自适应成像

将EMCCD移至傅里叶透镜后焦面进行成像实验，对比无薄膜、有薄膜扰动和校正后的三种情况。结果显示，薄膜扰动使物体图案在直接图像和反关联像素对联合概率分布中几乎不可辨，而经过PCB-SHWS校正后，图案清晰度显著恢复，质心分布重新集中至中心，证明了相位校正对量子成像质量的有效提升。

讨论与结论

本研究提出的PCB-SHWS技术实现了对位置关联双光子波前相位的单次直接测量，克服了传统方法需多次扫描或外部参考的局限。该技术可与时间戳相机等先进探测技术结合，实现实时动态畸变校正，在量子显微、远程成像和通信中具有应用潜力。尽管受微透镜尺寸和相机像素限制，其空间分辨率和灵敏度存在一定边界，但作为量子自适应光学的重要组成，PCB-SHWS为未来探索多光子场高阶关联特性提供了新的技术路径。