SPAD探测器首次实现3D量子鬼成像

光学装置左侧的SPAD阵列探测器是通过量子鬼成像获取3D测量结果的关键

据报道，德国研究人员报告了第一次通过量子鬼成像获得的3D测量结果。这项新技术能够在单光子水平上进行3D成像，从而为任意测量提供最低光子剂量。在《应用光学》杂志上，研究人员描述了他们的新方法，其中包括新的单光子雪崩二极管（SPAD）阵列探测器。他们称之为异步检测的新成像方案。

量子鬼成像使用纠缠光子对创建图像，其中光子对中只有一个光子与对象相互作用。每个光子的检测时间用于识别纠缠对，从而可以重建图像。以前的量子鬼成像装置因依赖于增强型电荷耦合器件（ICCD）相机而无法进行3D成像，虽具有良好的空间分辨率，但因时间闸控，无法对单个光子进行独立的时间检测。

为了解决这个问题，研究人员开发了一种基于新的单光子雪崩二极管（SPAD）阵列的装置。这些检测器具有多个带有专用定时电路的独立像素，这使它们能够以皮秒分辨率记录每个像素的探测时间。

一个关键创新是使用两个纠缠光子——信号光子和闲频电子，在单光子照明下获得3D图像。将闲频光子引导到物体上，并及时检测反向散射光子，同时信号光子被引导到一个专用相机，在时间和空间上检测尽可能多的光子。然后，研究人员将每个像素的检测时间与单像素检测器的检测时间进行比较，以重建纠缠。这也使他们能够确定相互作用的空转光子的飞行时间，以及物体的深度。

另一个关键创新是用于产生纠缠光子的KTP晶体的周期性极化，这使得几乎任何三重态的泵浦信号闲频都可以进行高效的准相位匹配，并可以自由选择照明和成像的波长。

研究人员使用两种不同的独立设置展示了异步检测方案的3D功能。其中一个类似于迈克尔逊干涉仪，使用两个空间分离的臂获取图像。这种设置使研究人员能够分析SPAD的性能并改进重合检测。另一种设置使用了自由空间光学器件，并且更加以应用为中心。不是对两个分开的手臂成像，而是对同一手臂中的两个物体进行成像。

实验表明，异步检测可以用于生物医学应用、军事或安全应用、大气测量等。