專利名稱：利用非退化頻率纏結(jié)光子成像的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子力學(xué)領(lǐng)域，更具體地，涉及利用非退化頻率纏結(jié)光子成像。
背景技術(shù)：
量子纏結(jié)(quantum entanglement)為一種量子力學(xué)現(xiàn)象，其中兩或更多 個(gè)對象的量子屬性被相互參照地描述，即使各個(gè)對象可能在空間上分離也如 此。當(dāng)如果光子A的一個(gè)屬性已知、則也就知道了光子B的相應(yīng)屬性時(shí)，則 稱這兩個(gè)光子A與B被纏結(jié)，并且形成了雙光子系統(tǒng)。例如，如果將兩個(gè)光 子以纏結(jié)狀態(tài)準(zhǔn)備、并且觀察到一個(gè)光子具有特定的極性，則另一個(gè)光子將 具有已知的極性。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，對可能至少被部分遮蔽的對象成像。生成頻率 纏結(jié)的光子。該頻率纏結(jié)的光子包括具有第一與第二頻率的光子。具有第一 頻率的那些光子穿過遮蔽(obscuration),并且照射對象。通過考慮到達(dá)時(shí)間 的一致性，使用被對象散射的光子以及具有第二頻率的光子來形成圖像。


圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法的圖示； 圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)的圖示；
圖3為用來生成非退化頻率纏結(jié)光子(nondegenerate frequency-entangled photons)并且沿分離的路徑發(fā)送光子的示范性裝置的圖示； 圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的跟蹤對象的方法的圖示； 圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)行監(jiān)視的方法的圖示； 圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)行非破壞性檢查的方法的圖示。
具體實(shí)施例方式
參照圖1，其顯示利用頻率纏結(jié)光子對對象成像的方法。該對象可能至 少被部分遮蔽。即，該對象可能至少被部分遮蔽，或者可能被完全遮蔽。此
處所使用的"遮蔽"(obscuration)指至少部分遮蔽對象的一或多個(gè)遮蔽物。
頻率纏結(jié)指一種量子力學(xué)現(xiàn)象，其中兩個(gè)光子具有相關(guān)的不同波長。光 子可以被物理地分離，但仍然會保持頻率的纏結(jié)。例如，如果雙光子系統(tǒng)的 總能量為e12 = ￡l+ s2,則知道了 s,，也就立刻得到s2,反之亦然，并且任何
光子的能量與其波長成反比。光子可能是退化的，即具有相等的頻率(S嚴(yán)S2，)，
或者它們可能是非退化的，即 ￡i # ￡2。
在塊110，生成非退化頻率纏結(jié)光子。頻率纏結(jié)光子包括具有第一與第 二頻率的光子。選擇第一頻率從而光子可以穿過遮蔽。雖然具有第一頻率的 光子能夠穿過遮蔽，但是其將不會以足夠的解晰度形成對象的圖像。
典型地，第二頻率將比第一頻率高得多。第二頻率對應(yīng)于成像解晰度。
在塊i20,以具有第一頻率的光子照射對象。遮蔽不會使對象不^:照射， 因?yàn)榫哂械谝活l率的光子會穿過遮蔽物。對象會散射光子。
在塊130，使用被對象散射的光子以及具有第二頻率的光子來形成圖像。 利用光子纏結(jié)來將成像能力擴(kuò)展超出典型光的傳統(tǒng)觀測限制。由于纏結(jié)，圖 像的解晰度將比其僅通過具有第一頻率的光子形成時(shí)的高。
當(dāng)形成圖像時(shí)，考慮到達(dá)時(shí)間的一致性。在一時(shí)間窗口內(nèi)，被對象散射 的光子的某些屬性(例如相干性)保持與具有第二頻率的光子相關(guān)。在該時(shí) 間窗口之外，該屬性變得不相關(guān)。使用具有第二頻率的相關(guān)光子來增加圖像 的解晰度。
現(xiàn)在參照圖2，其顯示用來對至少被部分遮蔽的對象成像的系統(tǒng)no。遮 蔽示意性地以云團(tuán)表示。但是，遮蔽不限于可見的懸浮粒子團(tuán)。如以后可以 看出，遮蔽依賴于應(yīng)用。
系統(tǒng)210包括具有第一與第二頻率的非退化頻率纏結(jié)光子的生成器"0。 頻率纏結(jié)光子可以通過參數(shù)下變換(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體中的四波混合(例如 參見de Dood et al. "Nonlinear Photonic Crystals as a Source of Entangled Photons," PhysRevLett. 93. 050405， 2004 );使用微結(jié)構(gòu)纖維來 生成高度受限電磁場(例如參見Sharping et al， "Quantum-correlated twinphotons from microstructure fiber," Optics Express 3086， vol. 12， no. 14, 2004 );半導(dǎo)體量子阱(例如參見Hayat et. al., "High-Rate Entanglement Source via Two-Photon Emission from Semiconductor Quantum Wells" arXiv quant-ph/0612124, 2006 );量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)(例如參見 Stevenson et. al,， "A semiconductor source of triggered entangled photon pairs" Nature, vol. 439, pp. 179-82， 2006 );以及亮二色光子源 (例如參見Pelton et al. ， "Bright, single-spatial-mode source of frequency non-degenerate， polarization-entangled photon pairs using periodically poled KTP，'Optical Express 3573， vol. 12, no. 15， 2004 )。
光子生成器220向下沿第一路徑PI發(fā)送具有第一頻率的光子，并且向下 沿第二路徑P2發(fā)送具有第二頻率的光子。向下沿第一路徑PI發(fā)送的光子穿 過遮蔽。如果對象位于第一路徑P1中，則該對象將被具有第一頻率的光子照 射。如果這樣被照射，則該對象將散射具有第一頻率的光子。
第二路徑不限于任何長度、任何環(huán)境等等，只要第二路徑不干擾纏結(jié)即 可。例如，第二路徑可以為長并且不受遮蔽，其可以為短并且在受控環(huán)境中 等等，只要纏結(jié)不受千擾即可。
系統(tǒng)210包括第一檢測器230與第二檢測器240，其能夠?qū)Ω鱾€(gè)光子計(jì) 數(shù)。檢測器230或240可以為在其上掃描光子的單個(gè)檢測器、在其上掃描光 子的線性陣列、或者不需要掃描的2-D陣列。每個(gè)檢測器230與240感測電 磁場，并且輸出所感測場的相位與幅度。
第二檢測器240位于第二路徑P2中，并iU企測向下沿第二路徑P2發(fā)送 的光子。第二檢測器240輸出由具有第二頻率的光子形成的電^f茲場的相位與 幅度。
定位第一檢測器230以檢測對象散射的光子。第一檢測器230收集所有 可能的光子，并且輸出由散射光子形成的電磁場的相位與幅度。
系統(tǒng)210還包括電路250,其響應(yīng)于第一檢測器230與第二檢測器240, 用來成像。可以在由設(shè)置的成像屬性所確定的相關(guān)平面中形成圖像。"設(shè)置" 指對象、檢測器、以及光學(xué)部件之間的距離。成像屬性依賴于這些距離。
可以通過對第 一檢測器與第二檢測器所檢測的光子的復(fù)電場進(jìn)行二階相 關(guān)，來在相關(guān)平面中形成圖像。 一致性計(jì)數(shù)值被映射作為第二檢測器240的 x-y坐標(biāo)的函數(shù)。 一致性計(jì)數(shù)測量在第一檢測器230上測量的復(fù)電場乘以在第二^r測器240上測量的復(fù)電場的乘積的時(shí)間平均值。復(fù)電場可以相位與幅 度描述。在論文Pittman et al., "Two photon geometric optics," The American Physical Society, vol. 53, no. 4, 1996， pp. 2纖and 2813_14 中描述了計(jì)算二階相關(guān)的例子。
根據(jù)PUtman et al.的論文，可以計(jì)算一致性計(jì)數(shù)率為所涉及的橫向空 間參數(shù)的函數(shù)，并且可以將該函數(shù)最小化以獲得最清晰的圖像。但是，不總 是需要"最清晰"的圖像。雖然對于本發(fā)明的某些實(shí)施例可能優(yōu)選最清晰的 圖像，但是對于其他實(shí)施例輕微模糊或者失焦的圖像可能較適合。
其間光子保持保持相關(guān)的時(shí)間窗口的長度在小于10 ns的級別上。該時(shí) 間窗口長度將依賴于泵光束質(zhì)量(pump beam qualities),例如帶寬。
在某些實(shí)施例中，第一檢測器230可以包含"桶式檢測器"。桶式檢測器 指多模式檢測器，其中聯(lián)合測量傳播通過對象的所有模式。桶式檢測器檢測 是否存在光子而不是光子的位置。桶式檢測器收集對象散射的所有光子，并 且象第二檢測器240的定時(shí)門那樣動(dòng)作。定時(shí)門允許第二檢測器240知道何 時(shí)開始其觀察以及開始計(jì)數(shù)一致性。
在某些實(shí)施例中，第二路徑P2比第一路徑短。為了保證電路250上的一 致性，可以光學(xué)手段延遲沿較短路徑的光子，從而信號以大致相同的時(shí)間到 達(dá)一致性電-各250。作為第一個(gè)例子，可以通過添加鏡子、并且迫^f吏光子通 過較長的距離，以光學(xué)手段延遲沿沿第二路徑P2的光子。作為第二個(gè)例子， 可以在第二路徑P2中插入折射率>1的光學(xué)元件，以光學(xué)手段延遲沿沿第二 路徑P2的光子。這將使透射通過該元件的光子慢下來。 '
可替換地，電路250可以保證一致性。例如， 一致性計(jì)數(shù)器250可以通
過進(jìn)行特定的所希望的窄波長的光子之間的交叉相關(guān)測量，測量感興趣的光
子到達(dá)之間的時(shí)間延遲。在兩個(gè)通道之間的適當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間上，將具有峰值
(即顯示許多一致性)。
圖3為用來生成頻率纏結(jié)光子并且沿分離的路徑向下發(fā)送那些光子的裝
置310的圖示。波長X。上的激光器320照射x")晶體330,并且進(jìn)行下變換以
丄=丄+丄
生成？u與L上的兩個(gè)光子。相位匹配條件要求A & A與《。-S+^?？梢?選擇波長、用于遮蔽中的最優(yōu)傳播。通過改變晶體330相對于進(jìn)入光束的角度，獲得特定波長。可以生成光子為脈沖或者連續(xù)波。
分光器340向下沿第一if各徑發(fā)送X,上的光子，并且向下沿第二路徑發(fā)送 、上的光子。分光器340還濾除其他波長。
某些實(shí)施例可能通過生成所謂"擠壓，，狀態(tài)下的纏結(jié)光子，利用非經(jīng)典 光學(xué)場的其他屬性。擠壓狀態(tài)為以下狀態(tài)，其中量子噪聲被非均勻地分布在 復(fù)電場的兩個(gè)正交(quadrature)之間。在此類狀態(tài)下，可以相位噪聲為代價(jià)， 使幅度的噪聲小于標(biāo)準(zhǔn)量子限制，或者反之。這允許增加桶式檢測器的敏感 度，因?yàn)槠鋬H檢測是否存在光子。擠壓狀態(tài)可以通過非線形光學(xué)處理(例如 四波混合)生成。然后，通過適當(dāng)?shù)墓饩呓M(包括N個(gè)分光器)或者相等的 技術(shù)，將擠壓狀態(tài)光子纏結(jié)到第N度。
生成頻率纏結(jié)光子不限于僅具有兩個(gè)不同頻率的光子?？梢陨删哂腥?個(gè)、四個(gè)、或者更多個(gè)頻率的光子，并且用來照射對象、增加圖^^解晰度、 或者既照射對象又增加圖像解晰度。
例如，可以在第二路徑P2中使用所謂的"NOON狀態(tài)"。NOON狀態(tài)為一種 量子力學(xué)纏結(jié)狀態(tài)，以以下等式描述
1^vocw〉 = 1^〉。, + ,|0》a|Ar)b, 其表示模式a下的N個(gè)粒子與模式b下的零個(gè)粒子疊加，反之亦然。當(dāng)使用 N光子的N00N狀態(tài)時(shí)，解晰度與Lambda/N成比例，其中Lambda為光子波長。 由此，成像解晰度對于較高階NOON狀態(tài)較好。可以第N階NOON狀態(tài)生成光 子，其中N ^2。
利用頻率纏結(jié)光子對對象成像不限于任何特定應(yīng)用。但是，該成像特別 有利，因?yàn)榇┩刚诒蔚墓庾拥牟ㄩL可以與確定成像解晰度的光子的波長不同。 該優(yōu)點(diǎn)在以下三種應(yīng)用中變得明顯對象跟蹤、監(jiān)視、以及非破壞性檢查。
參照圖4,其顯示進(jìn)行對象跟蹤的方法。可以使用圖2所示硬件來跟蹤 對象。在塊410，利用非退化纏結(jié)光子獲取對象的圖像。選擇第一頻率從而 光子可以穿過空中的遮蔽并且照射正在跟蹤的對象。如果對象為飛機(jī)或者其 他空中對象，則選擇第一頻率穿過云、霧、以及其他大氣遮蔽(例如湍流)。 例如可以使用毫米范圍內(nèi)的第一頻率35或者94 GHz。為了跟蹤海上的對象，包括水下的對象，選擇第一頻率穿透水?？梢允?br> 用藍(lán)綠光，例如530nm上，或者486 nm上的氬p線。
為了跟蹤陸地車輛，選擇第一頻率，從而光子可以穿過空氣、灰塵、煙、 霧、以及其他大氣遮蔽。
選擇第二頻率，以允許在所獲取的圖像中看出對象的細(xì)節(jié)。例如，第二 頻率可以在紅外線或者可見光語中。
可以使用望遠(yuǎn)鏡、瞄準(zhǔn)鏡、或者其他光學(xué)組件來將具有第一頻率的光子 指向?qū)ο?該光學(xué)組件例如可以為圖2的光子生成器220的部分)。將在所獲 取的圖像中出現(xiàn)第一(例如桶式)檢測器視野中以及在第二檢測器視野中所 覆蓋的任何東西。
在塊420,處理器估計(jì)正在跟蹤的對象的預(yù)期位置。例如，可以在所獲 取的圖像中識別對象。將當(dāng)前圖像中的對象位置與一或多個(gè)先前獲取的圖像 中的對象位置相比較，并且位置之間的(多個(gè))差異用來估計(jì)對象將在下一 圖像獲取期間所在的地點(diǎn)。另外，可以進(jìn)行對象識別(例如，通過比較所獲 取的對象與所存儲的參考圖像)，以確定是否正在跟蹤正確的對象。
在塊430，調(diào)整硬件以觀看預(yù)期位置上的對象。例如，可以將望遠(yuǎn)鏡、 瞄準(zhǔn)鏡、或者其他光學(xué)組件重新定向以觀看預(yù)期位置。
可以重復(fù)塊410、 420、以及430的功能，以持續(xù)跟蹤對象。
將圖4的方法與使用常規(guī)光電/紅外線(EO/IR)有源成像系統(tǒng)的方法比 較。云、霧、以及其他大氣遮蔽物將會給該此類常規(guī)系統(tǒng)帶來很大限制。常 規(guī)系統(tǒng)限于可以穿透這些遮蔽物、并且還提供足夠的成像解晰度的波長。在 另一方面，利用纏結(jié)光子成像允許為遮蔽選擇第一最優(yōu)頻率，并且為成像解 晰度選擇第二最優(yōu)頻率。
現(xiàn)在參照圖5，其顯示對被遮蔽的對象進(jìn)行監(jiān)視的方法?？梢允褂脠D2 所示的硬件來進(jìn)行監(jiān)視。在塊510，生成非退化頻率纏結(jié)光子。在塊520,將 具有第一頻率的那些光子沿第一路徑引導(dǎo)向遮蔽。選擇第一光束的頻率，使 得光子穿過遮蔽，并且照射遮蔽(例如墻壁、窗戶、或者其他人造結(jié)構(gòu))之 后的(多個(gè))對象。還可以選擇頻率以預(yù)防反監(jiān)視措施。
還是在塊520,將具有第二頻率的那些纏結(jié)光子沿第二路徑引導(dǎo)。選擇 第二頻率以提供足夠的圖像解晰度。
在塊530，檢測由被遮蔽的(多個(gè))對象所散射的光子以及沿第二路徑的光子。在塊540，生成圖像。所獲取的圖象將揭示遮蔽之后的對象的細(xì)節(jié)。 現(xiàn)在參照圖6，其顯示對復(fù)合材料形成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行非破壞性檢查(NDI) 的方法?？梢允褂脠D2所示的硬件來進(jìn)行NDI。在塊610,生成非退化頻率 纏結(jié)光子。.在塊620,將具有第一頻率的那些光子沿路徑引導(dǎo)向復(fù)合結(jié)構(gòu)。 可以使用射頻波。
還是在塊620，將具有高圖像解晰度的波長的那些光子沿第二路徑引導(dǎo)。 高圖像解晰度的頻率可以在毫米光譜中，以獲得較高的成像解晰度，其允許 識別結(jié)構(gòu)變化(例如裂縫、腐蝕)。
在塊630，檢測光子。在塊640,生成圖像。
可以重復(fù)塊610-640的功能，以生成不同結(jié)構(gòu)的不同圖像(塊650)。另 外，可以調(diào)整具有第一波長的那些光子的焦點(diǎn)，以觀看不同深度上的結(jié)構(gòu)。 例如，可以使用第一焦點(diǎn)來觀看在復(fù)合面板中的結(jié)構(gòu)變化。然后可以使用第 二焦點(diǎn)來觀看在該面板之后的復(fù)合元件中的結(jié)構(gòu)變化。
在塊660，分析圖像以識別結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)變化。結(jié)構(gòu)變化可能會散射或 者阻擋光子。依賴于結(jié)構(gòu)變化，結(jié)構(gòu)變化可能會出現(xiàn)在圖像中作為較亮的塊、 較黑的塊、或者具有不同紋理的塊。
可以使用圖6的方法來對由復(fù)合材料(例如碳加強(qiáng)塑料(CRFP))形成 的某些飛機(jī)結(jié)構(gòu)(面板、加強(qiáng)物、肋板、梁柱等等)進(jìn)行NDI。例如，可以 使用該方法來識別在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的裂縫、腐蝕、以及其他狀態(tài)變化。
權(quán)利要求
1. 一種對可能至少被部分遮蔽的對象成像的方法，該方法包括生成包括具有第一與第二頻率的光子的頻率纏結(jié)的光子，其中具有第一頻率的光子能夠穿過遮蔽；用具有第一頻率的光子照射對象；以及通過考慮到達(dá)時(shí)間的一致性，使用被對象散射的光子以及具有第二頻率的光子來形成圖像。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中將具有第一頻率的光子沿第一路徑向 下送往對象；其中被對象散射的光子由第一檢測器檢測，并且將具有第二頻 率的光子沿第二路徑向下發(fā)送、并且由第二檢測器檢測，第一檢測器與第二 檢測器能夠?qū)Ω鱾€(gè)光子計(jì)數(shù)。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中第一檢測器為桶式檢測器；并且其 中該桶式檢測器被操作作為考慮所述一致性的定時(shí)門。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中以擠壓狀態(tài)生成光子，以增加所述 桶式檢測器的敏感度。
5. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述形成圖像包括對第一檢測器 與第二檢測器所檢測的光子的復(fù)電場進(jìn)行二階相關(guān)。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述進(jìn)行二階相關(guān)包括對第一檢 測器與第二檢測器所檢測的光子進(jìn)行一致性測量，該一致性測量發(fā)生在由頻 率纏結(jié)的光子的相干屬性確定的時(shí)間窗口內(nèi)。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中具有第一頻率的光子沒有足夠的解 晰度來形成可以在其中識別對象的圖像；其中具有第二頻率的光子具有足夠 的解晰度來形成可以在其中識別對象的圖像；并且其中所述形成圖像包括 利用具有第一頻率的光子來解晰具有第二頻率的光子。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中通過具有第二頻率的光子來增加圖像 的解晰度。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中第二頻率比第一頻率高很多。
10. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中使用具有至少一個(gè)附加頻率的光子 來增加圖像的解晰度。
11. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中以第N階NOON狀態(tài)生成光子，其中N ^2。
12. —種對可能至少被部分遮蔽的對象成像的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 用來生成包括具有第一與第二頻率的光子的頻率纏結(jié)的光子的部件；用來用具有第 一頻率的光子照射對象的部件，其中具有第 一頻率的光子 能夠穿透遮蔽；以及用來使用被對象散射的光子以及具有第二頻率的光子來形成圖像的部件。
13. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括用來保證在形成圖像的同時(shí)考慮 時(shí)間一致性的部件。
14. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括用來從先前所獲取的圖像估計(jì) 對象的預(yù)期位置的處理器；以及用來將第一路徑指向該預(yù)期位置的光學(xué)組件。
15. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)被配置用于非破壞性檢查。
全文摘要
對可能至少被部分遮蔽的對象成像。生成頻率纏結(jié)的光子。該頻率纏結(jié)的光子包括具有第一與第二頻率的光子。具有第一頻率的那些光子可以穿過遮蔽，并且照射對象。通過考慮到達(dá)時(shí)間的一致性，使用被對象散射的光子以及具有第二頻率的那些光子來形成圖像。
文檔編號G02F2/00GK101435970SQ20081017405
公開日2009年5月20日 申請日期2008年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月12日
發(fā)明者克勞迪奧·G·帕拉佐利, 芭芭拉·A·凱普倫 申請人:波音公司