中科院量子光学重点实验室

量子成像及量子时频传递

更新时间:2020-09-01 【打印】 【关闭

            “量子成像及量子时频传递”学术方向       

  上海光机所中科院量子光学重点实验室量子信息技术与工程应用研究组致力于在明确的重大国家安全需求、社会需求和学术需求牵引下,发展具有“颠覆性”的量子信息技术并在现有技术条件下实现其工程和科学应用。  

  1主要研究方向包括:  

  1)量子成像技术及其应用;  

  “量子关联成像”最早可以追溯到上世纪五六十年代,英国学者Hanbury Brwon Twiss完成的HBT干涉实验就和它有关。该实验不仅解决了传统Michelson星体干涉仪等中大气扰动难题,而且第一次揭开了量子光学相干性的美丽面纱。      

  上世纪九十年代中期,随着“幽灵”光源-量子纠缠光源的成功制备,“量子关联成像”正式以“量子成像”的面貌亮相。一对纠缠光子“分手”后,一个光子遇到物体被一个没有空间分辨能力的探测器接收,同时另一个光子也被探测器接收到,两个探测器结果“相遇”后就可以得到物体的照片。因为对于其中任何一个探测器都不是对物体直接成像,但两探测器的“相遇”却又能得到物体的照片,就像两个不相识的画师闭着眼在画布上肆意涂鸦,却合作画出了一个人的精确肖像,这种不可思议的现象感觉似乎有幽灵出没,因此又将这种成像称为“鬼成像(Ghost Imaging)”。      

  “量子关联成像”的“量子成像”面具,导致部分学者认为量子纠缠是必不可少的,而另一部分学者则认为量子纠缠并非绝对需要的。大量学者就“量子关联成像”的真面貌进行了大讨论,一时间论说莫衷一是。2002年,美国的Bennink等人打破了争议,利用非量子纠缠光源演示了“鬼成像”实验。随后,本课题组和意大利A. Gatti等人分别从经典的统计光学和光场量子相干性理论出发,首次在理论上完成了经典热光的“量子关联成像”理论分析。至此,“量子关联成像”突破量子特性在实际应用中的制约,开始在雷达、照相机、X光成像、中子成像、电子成像、冷原子成像、声学探测以及3D打印等领域大展身手等各个应用领域大放异彩。      

  本课题组是国内较早开展强度关联成像的研究小组,也是国际上最先从理论上证明利用经典热光场可以进行强度关联成像的两个研究小组之一Phys. Rev. Lett., 92, 093903, 2004),并率先完成了室外真实大气环境条件下激光强度关联成像演示实验Applied Physics Letters, 101, 141123, 2012)、被动太阳光鬼成像演示实验Scientific Reports, 10.1038/srep25718, 2016)、基于傅里叶变换强度关联成像(FGI)的非晶态样品X射线衍射显微实验演示Phys. Rev. Lett. 117, 113901, 2016)和单次曝光鬼成像纳米荧光显微成像(Optica 6, 1515(2019))等研究工作。   

  2)超高精度量子时频信号传递技术及其应用(与“空间激光信息技术研究中心”合作)。    

  “上下四方曰宇,往来古今曰宙”,时间是事物存在和运动的基本形式,也是最早被人类意识到,同时也是最重要的一个基本物理量。高精度时频传递与时间同步是人类活动和信息交互的承载基石,全方位支撑着社会经济活动、前沿科学研究等现代社会的方方面面。随着全球卫星导航系统的发展,目前主要通过卫星微波链路来实现时频传递和同步,利用卫星双向时间频率传递、卫星共视等方法可以实现E-15@1day量级的频率传输精度以及纳秒量级的时间同步精度。随着现代高精度原子钟的快速发展,频率稳定度在 E-16@1s 的微波原子钟以及频率不确定度在 E-18的光钟相继出现,迫切需要发展具有更高精度的量子时频传递与同步方法。基于光纤链路的高精度时频传递与同步技术以其具有的低损耗大带宽高稳定优势,可以实现皮秒级的超高精度,同时具备高可靠和高安全性的优势,有望成为下一代精密授时与同步的主要手段之一,受到世界各国的高度关注,投入大量资源开展相关技术和系统的研究。研究并建立超高精度的光纤授时与同步系统不但将带来包括相关方面科学上的革命性进展,同时也是有效支撑和推动5G、自动驾驶、高精度广域室内定位、物联网等战略新兴产业发展的基础,是构建以北斗卫星导航系统为核心的未来国家综合PNTPositioning, Navigation, Timing)的必要支撑和重要组成。  

  本课题组是国内最早开展超高精度光纤时频传递的研究小组之一,在国内率先实现光纤时频传递面向工程应用的突破,在短基线干涉航天测控、二代导航系统、组网雷达等国家重大战略需求中获得实际应用(物理学报,68:060602,2019,封面论文)。提出基于注入锁定原理的高带宽噪声抑制技术Scientific Reports,8:13135,2018)、解决了极端恶劣环境下复杂噪声的有效抑制难题,实现当时国际上最长距离实地链路光纤时频同传系统Chin. Opt. Lett, 14:070602,2016)、首次提出时频信号同波长幅相同传相干解调方案Opt. Lett,45:208,2020)等研究工作。 同时,本课题组也在国内最先开展基于量子相干性的量子时钟同步基础理论与关键技术研究(Photon. Res, 3:82, 2015,有望为下一代基于量子纠缠和压缩特性的量子导航系统(QPS)提供技术积累。  

  2课题组简介:       

  研究组志向弘毅,在所从事的研究方向上均处于国际先进水平,领衔或作为主要参与单位承担多项国家重大科研计划项目,国际交流(包括与国际一流大学合作培养研究生)活跃,在国内外同行中享有良好声誉,学风踏实。截至20204月底,研究组共有在职职工19人,其中:研究员4人(包括青年特聘研究员一名),副研究员8人,中级职称 7人。  

   另:在站博士后3人。  

  学科带头人:韩申生研究员,博士生导师,中国光学工程学会理事会成员,中国物理学会量子光学专业委员会委员、中国电子学会量子信息专业委员会委员等;《Plasma Science and Technology》、《红外与激光工程》、《光学学报》及《量子光学学报》编委。早期的研究领域主要集中在国内条件下基于超短超强激光装置的极高能量密度极端物理实验条件的建立和发展;极高能量密度状态下的强非线性过程和适合于中国国情的惯性约束核聚变(ICF)新方案;及X光激光、X光位相成像技术研究。近年来,研究方向逐步转向量子成像及其应用研究。在量子成像研究中,2004年和意大利Lugiato小组分别独立从经典与量子的角度出发,在理论上证明了普通经典热光源也可以实现强度关联成像,从而大大拓展了强度关联成像的应用范围并立即提出了将其应用于遥感领域的设想,此外还将量子成像的应用范围推广到了X光波段。2009年通过利用目标的稀疏先验(结合压缩感知理论)在国际上首次完成了分辨率超发射孔径衍射极限的强度关联遥感成像原理演示实验。作为“十二五”863《强度关联遥感成像技术研究》”一期和二期两期主题项目的首席专家,领导课题组突破了直接、以及相干探测体制激光三维强度关联成像、被动光学多光谱强度关联成像等核心技术研究,取得一批具有原始创新性的重要成果,建成国际上第一台激光三维强度关联成像工程原理样机和单次曝光高光谱强度关联成像工程原理样机,在国际上首次实验演示了实际大气环境下基于浮空平台的主、被动光学强度关联遥感成像技术的可行性,并和中科院上海高研院王中阳课题组一起实验演示了量子成像技术在高速荧光超分辩显微成像中的应用潜力。