超表面启用量子边缘检测

超表面的原理图使量子边缘检测成为可能。(A)超表面设计用于对首选线偏振进行边缘检测。|V >，即极化态与分析仪正交。虚线表示电路径。这个问号意味着预告臂的闲散光子的极化选择是未知的。如果薛定谔的猫被来自偏振纠缠源的未知线性偏振光子照亮，图像将是规则的“固体猫”和边缘增强的“轮廓猫”的叠加。“(B)指示臂的开关状态为打开或关闭。当预告臂的空闲光子被投射到|H >，它指示开关状态，并导致一个坚实的猫捕获。当预告光子被投射到|V >时，在开关状态下获得了一个边缘增强的轮廓cat。(C和D)固体猫的计算结果和实验结果。(E和F)分别为边缘增强轮廓cat的计算结果和实验结果。来源: 科学的进步 , doi: 10.1126 / sciadv.abc4385

超表面提供独特的平台来实现奇异的现象，包括负折射，消色差聚焦，以及由于工程介质或金属结构的电磁隐身。超表面和量子光学的交集可能会带来有待 探索 的重大机遇。在最近发表在《科学进展》杂志上的一篇报告中，周俊晓、刘世凯和一个中美两国的量子信息、纳米光电子器件和计算机工程研究团队提出并演示了偏振纠缠光子源。他们利用该光源在成像系统中根据高介电超表面将光学边缘模式切换到开或关状态。该实验丰富了量子光学和超材料的研究领域，为实现具有显著信噪比的量子边缘检测和图像处理提供了广阔的前景。

将量子纠缠和边缘检测相结合

光子超表面是由设计的金属或介质结构组成的二维超薄阵列，可以促进电磁场对局部相位、振幅和极化的操纵。研究人员通常为经典光学的各种应用开发这种能力。量子纠缠在量子光学中有着重要的应用，包括量子密码学、隐形传态、超分辨计量学和量子成像。最近的努力显示了一种趋势，将超表面与纠缠光子结合起来，在量子光学中有潜在的应用。边缘检测是图像处理中定义图像区域之间边界的另一个因素。它是计算机视觉中的一个基本工具，用于预处理自动化的医学成像，并构成自动驾驶 汽车 的关键组成部分。超表面边缘检测可用于量子光学，为远程控制图像处理和密码学提供可能性。在本研究中，Zhou等人实现了一种偏振纠缠光子源和高效超表面激活的可切换光学边缘检测方法。该组合策略在相同的光子通量水平(单位面积每秒的光子数)下显示了高信噪比。

用“薛定谔的猫”的概念

Zhou等人利用薛定谔的猫的概念来说明可切换量子边缘检测方案的预期性能。综述了基于经典连续波(CW)光照明的边缘检测的基本原理。在实验装置中，边缘检测成像臂独立于纠缠源和预告臂，以及重合测量组件。当入射光子达到水平偏振状态时，被照亮的光束通过一个猫形的孔和一个工程超表面，随着水平位移分离成一个左、右撇子重叠偏振图像。重叠的组件通过水平方向的分析器，形成“实猫”图像。然而，如果入射光子垂直偏振，重叠的组件重新组合成一个线性偏振组件，这个组件完全被分析仪遮挡，只形成猫的轮廓。因此，研究人员利用偏振纠缠光子作为照明源，以这种方式开发了量子可切换边缘检测。

实验设置和偏振纠缠光子对

纠缠源的特性。(A)在2秒内，符合度计算为一个输出端口的HWP角θ2的函数。计数数据和干涉的红色(蓝色)对应于水平(对角)投影基底。实线对数据是正弦拟合的，误差条是通过在光子计数中假设泊松光子统计来估计的。误差条是通过多次测量得到的。(B和C)重构的双光子态的密度矩阵ρ的实部和虚部。来源: 科学的进步 , doi: 10.1126 / sciadv.abc4385

研究人员在嵌入Sagnac干涉仪的20毫米长的II型相位匹配周期性极化磷酸钛酸钾(KTiOPO4/PPKTP)晶体中使用自发参量下转换过程产生偏振纠缠光子。他们将晶体的温度设置为17摄氏度，并使用两个宽带介质镜和一个双波长偏振分束器形成自稳定的Sagnac干涉仪。然后，他们使用了405nm的连续波单频二极管激光器，通过一对优化焦距的透镜聚焦泵浦光，使晶体中心的束腰接近40微米。为了平衡顺时针和逆时针方向的功率，Zhou等人在Sagnac环前面使用了1 / 4波片(QWP)和半波片(HWP)。

利用双波长偏振分束器，他们分离了由两个反向传播光束泵浦的下转换光子对，分别送进成像臂和传兆臂。Zhou等人还利用Pancharatnam-Berry相设计了该装置中使用的超表面，并通过在硅片内扫描飞秒脉冲激光器来制备它。然后利用扫描电子显微镜观察硅板中自组装的纳米结构，并在强激光照射下显示其来源，以产生超表面。该团队简要介绍了从Signac环产生的偏振纠缠简并光子对的量子态制备。他们利用贝尔态(不可分量子纠缠最简单的例子)通过调整实验装置来完成这项工作。Zhou等人利用量子层析成像和重建双光子密度矩阵测量量化了双光子态的纠缠质量。

基于纠缠态的量子边缘检测具有较高的信噪比。(A和C)边缘检测图像由预告检测器触发。(B和D) ICCD内部触发的直接图像。(C)和(D)分别沿(A)和(B)中的白虚线计算。来源: 科学的进步 , doi: 10.1126 / sciadv.abc4385

量子纠缠使量子边缘检测成为可能

在确认了产生的偏振纠缠光子对的质量后，他们演示了可切换的量子边缘检测。为了实现这一点，他们准备了光子水平或垂直的线性偏振状态使用设置，并将光子耦合到光纤，并将它们发送到边缘检测图像系统，以捕获最终的可选图像，通过强化电荷耦合设备相机(ICCD)。例如，Zhou等人获得了两幅有微小位移的重叠图像，位移方向与超表面的相位梯度方向一致。当他们增加超表面结构的周期时，他们减少了两个重叠图像之间的偏移，以实现高分辨率的边缘检测。量子边缘检测方案的另一个优点是其高信噪比(SNR)，该团队可以在设置过程中显著降低环境噪声，而噪声只会在很短的时间内累积。相比之下，在经典光学中，噪声会持续累积。作为概念的证明，他们获得了一幅具有显著信噪比的边缘图像，用于改进基于纠缠的实验性量子边缘检测。

前景

通过这种方式，周俊晓、刘世凯及其同事利用超表面滤波器和偏振纠缠源结合，实现了量子纠缠的量子边缘检测。超表面提供了超薄和轻量化的光学元件，具有精确设计的相位剖面，以获得各种功能，形成一个更紧凑和集成的系统。该设置将有助于安全应用程序的概念，包括图像加密和隐写。该方法还提供了一个吸引人的信噪比(SNR)，适合于生物医学中各种需要光子的成像和传感应用，包括跟踪酶反应和观察活的有机体或光敏细胞。

AR是Augmented Reality的字母缩写，中文名字是“增强现实”，是一种全新人机交互技术。通过AR技术，让参与者与虚拟对象进行实时互动，从而获得一种奇妙的视觉体验，而且能够突破空间、时间以及其它客观限制，感受到在真实世界中无法亲身经历的体验。

VR是一种虚拟现实技术，通过计算机技术生成一种模拟环境，同时使用户沉浸到创建出的三维动态实景，可以理解为一种对现实世界的仿真系统。而最早VR技术应用于军事领域，最常见的产品则是头戴显示器

总的来说，AR（增强现实），看到的场景和人物有真有假，是将虚拟的信息带人到现实世界中；VR（虚拟现实），看到的场景和人物都是假的，是用计算机做出来的，是让你沉浸到一个虚拟的世界。

扩展资料：

虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。

相比较而言，利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情。如果有足够准确的模型，又有足够的时间，我们就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像，但是这里的关键是实时。例如在飞行模拟系统中，图像的刷新相当重要，同时对图像质量的要求也很高，再加上非常复杂的虚拟环境，问题就变得相当困难。

参考资料：

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