基于量子鬼像及单模光纤的图像传送系统

摘要

本发明公开了一种基于量子鬼像及单模光纤的图像传送系统，本发明利用光纤信道对光子频率扰动小的特点，在光纤信道中对频率关联的双光子进行长距离分发，并通过关联自由度转换实现利用光纤信道的图像长距离传送。解决了传统基于光子空间动量或空间位置关联光子的量子鬼像难以在只支持单个空间模式的单模光纤中传输，因而无法利用单模光纤信道实现长距离图像传送的问题。另外，由于利用了量子态，因而可以利用量子力学物理原理确保量子图像的安全性。

说明书

技术领域

本发明属于量子信息领域，更具体涉及一种基于量子鬼像及单模 光纤的图像传送系统。

背景技术

量子信息科学技术利用量子力学的基本原理，能够实现传统信息 技术难以实现的功能。量子鬼像利用光子间的量子关联性实现对物体 的成像，是量子信息领域中一种具有丰富物理原理和应用潜力的技术。

在量子鬼像中，首先利用量子光源产生具有空间纠缠或者关联特 性的两个光子。其中一个光子照射物体，并被单点探测器探测。另一 个光子送到一个与物体分开的具有一定空间分辨能力的单光子探测器 阵列。由于两个光子之间的空间量子纠缠/关联特性，照射物体的光子 到达物体的位置和另一个光子到达探测器的位置是关联在一起的，因 而通过符合计数测量，能够在单点探测器和具有空间分辨能力的单光 子探测器阵列的符合探测结果中恢复出物体的像。量子鬼像的新奇之 处在于，记录照射物体光子的探测器是单点探测器不具有空间分辨性， 而被具有一定空间分辨能力的单光子探测器阵列探测的光子并没有照 射物体，却能在不照射摄物体侧，利用两者的符合计数测量得到物体 的像。如果将特定图像作为代成像的物体，量子鬼像的原理即可用于 图像的传送。

当前，光纤通信网络已经被广泛的铺设和利用，借助于光纤通信 网络的光通信技术也已经发展地非常成熟。然而，尽管量子鬼像的原 理具有用于量子图像传送的潜力，由于传统的量子鬼像方案所依赖的 空间动量/位置的纠缠不能在单模光纤中保持，这种量子鬼像原理无法 借助于已经广泛铺设的单模光纤线路长距离的实现，这限制了量子鬼 像原理在长距离图像传送技术上的应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何实现基于量子鬼像原理的长距离 图像的传送。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了基于量子鬼像及单模光纤 的图像传送系统，其特征在于，所述系统包括：

量子光源，用于产生频率关联的第一光子和第二光子；

图像发送模块，通过单模光纤与所述量子光源连接，接收所述量 子光源发射的所述第一光子；所述图像发送模块包括第一空间色散元 件和第一单光子探测器，所述第一光子经过所述第一空间色散元件处 理，按照频率的不同发射到不同的方向，对物体进行照射；所述第一 单光子探测器探测由物体反射或透射的所述第一光子，得到第一探测 时间；

图像接收处理模块，通过单模光纤与所述量子光源连接，通过通 信信道与所述图像发送模块连接，接收所述量子光源发射的所述第二 光子以及所述图像发送模块发送的所述第一探测时间；所述图像接收 处理模块包括第二空间色散元件、单光子探测器阵列以及处理器；所 述第二光子经过所述第二空间色散元件处理，按照频率的不同发射到 不同的方向，并由所述单光子探测器阵列中对应位置处的一个单光子 探测器探测，得到第二探测时间；所述处理器根据符合测量得到的多 个所述第一探测时间、多个第二探测时间以及测量所述多个第二探测 时间的所述单光子探测器单光子探测器阵列中对应的多个单光子探测 器的位置信息，经过符合计算得到物体的像。

优选地，所述图像发送模块还包括光环形器、光纤准直器以及聚 焦透镜；

所述第一光子经过所述光环形器射入所述光纤准直器，准直处理 后射入所述第一空间色散元件，由所述第一空间色散元件射出的第一 光子经过所述聚焦透镜后照射到物体上；由物体反射的所述第一光子 依次经过所述聚焦透镜、第一空间色散元件、光纤准直器以及光环行 器，并由所述光环行器射入所述第一单光子探测器。

优选地，所述图像发送模块还包括光纤准直器、聚焦透镜以及光 纤收集装置；

所述第一光子射入所述光纤准直器，准直处理后射入所述第一空 间色散元件，由所述第一空间色散元件射出的第一光子经过所述聚焦 透镜后照射到物体上；物体透射的所述第一光子由所述光纤收集装置 收集后射入所述第一单光子探测器。

优选地，所述图像接收处理模块还包括光纤准直器，所述第二光 子经过所述光纤准直器准直处理后，射入所述第二空间色散模块。

优选地，所述量子光源包括泵浦光源以及被所述泵浦光源激励并 产生所述第一光子和第二光子的非线性光学元件。

优选地，所述非线性光学元件为产生二阶参量下转换效应的晶体 或产生三阶自发四波混频效应的非线性光波导。

优选地，所述产生二阶参量下转换效应的晶体为各种非中心对称 晶格结构的非线性光学晶体，周期极化铌酸锂晶体，周期极化铌酸锂 波导，砷化镓和磷化铟等具有非中心对称晶格结构的半导体材料。

所述产生三阶自发四波混频效应的非线性光波导为石英光纤、硫 化物玻璃光纤、硅波导或氮化镓波导；

所述泵浦光源为脉冲泵浦光源或连续泵浦光源。

优选地，所述第二空间色散元件为衍射光栅、闪耀光栅、棱镜或 空间光调制器；

所述第一单光子探测器为基于雪崩二极管的单光子探测器或基于 超导纳米线的单光子探测器；

所述单光子探测器阵列为硅单光子探测器阵列、铟磷/铟镓砷磷单 光子探测器阵列、电子倍增电荷耦合器或超导纳米线单光子探测器阵 列。

优选地，所述图像接收处理模块用图像接收延时处理模块替换；

所述图像接收延时处理模块通过单模光纤与所述量子光源连接， 通过通信信道与所述图像发送模块连接，接收所述量子光源发射的所 述第二光子以及所述图像发送模块发送的所述第一探测时间；所述图 像接收延时处理模块包括时间色散元件、第二单光子探测器以及处理 器；所述第二光子经过所述时间色散元件处理，按照频率的不同进行 不同时间的延时后射入所述第二单光子探测器，并由所述第二单光子 探测器探测得到所述第二探测时间；对于每一个所述第一探测时间， 所述处理器确定与其对应的第二探测时间；所述处理器根据多个所述 第一探测时间和对应的多个所述第二探测时间确定由所述时间色散元 件产生的多个延时信息，利用所述多个延时信息，过符合计算得到物 体的像。

优选地，所述单光子探测器为基于雪崩二极管的单光子探测器或 基于超导纳米线的单光子探测器；

所述时间色散元件为具有群速色散的单模光纤、长周期光栅或衍 射光栅对。

(三)有益效果

本发明提供了一种基于量子鬼像及单模光纤的图像传送系统，本 发明利用光纤信道对光子频率扰动小的特点，在光纤信道中对频率关 联的双光子进行长距离分发，并通过关联自由度转换实现利用光纤信 道的图像长距离传送。解决了传统基于光子空间动量或空间位置纠缠/ 关联光子的量子鬼像难以在只支持单个空间模式的单模光纤中传输， 因而无法利用单模光纤信道实现长距离图像传送的问题。另外，由于 利用了量子态，因而可以利用量子力学物理原理确保量子图像的安全 性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而 易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域 普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些 附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于量子鬼像及单模光纤的图像传送系统的结构 示意图；

图2为本发明中一个较佳实施例的图像发送模块的结构示意图；

图3为本发明中另一个较佳实施例的图像发送模块的结构示意图；

图4为本发明中一个较佳实施例的图像接收处理模块的结构示意 图；

图5为本发明中另一个较佳实施例的图像接收延时处理模块的结 构示意图；

图6a为利用本发明的系统进行量子鬼像传递的原始物体的图像；

图6b为利用本发明的系统进行量子鬼像传递的中间测量结果示意 图；

图6c为利用本发明的系统进行量子鬼像传递符合测量恢复得到的 图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例 用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

图1为本发明的基于量子鬼像及单模光纤的图像传送系统的结构 示意图，所述系统包括：

量子光源，用于产生频率关联的第一光子和第二光子；

图像发送模块，通过单模光纤与所述量子光源连接，接收所述量 子光源发射的所述第一光子；所述图像发送模块包括第一空间色散元 件和第一单光子探测器，所述第一光子经过所述第一空间色散元件处 理，按照频率的不同发射到不同的方向，对物体进行照射；所述第一 单光子探测器探测由物体反射或透射的所述第一光子，得到第一探测 时间；

图像接收处理模块，通过单模光纤与所述量子光源连接，通过通 信信道与所述图像发送模块连接，接收所述量子光源发射的所述第二 光子以及所述图像发送模块发送的所述第一探测时间；所述图像接收 处理模块包括第二空间色散元件、单光子探测器阵列以及处理器；所 述第二光子经过所述第二空间色散元件处理，按照频率的不同发射到 不同的方向，并由所述单光子探测器阵列中对应位置处的一个单光子 探测器探测，得到第二探测时间；所述处理器根据多个所述第一探测 时间、多个第二探测时间以及测量所述多个第二探测时间的所述单光 子探测器单光子探测器阵列中对应的多个单光子探测器的位置信息， 经过符合计算得到物体的像。所述处理器根据所述第一探测时间确定 对应的所述第二探测时间，根据所述第二探测时间对应的位置信息， 确定第二光子的频率，从而可以得到第一光子的频率，从而确定第一 光子照射到物体上的位置。

进一步地，所述图像发送模块还包括光环形器、光纤准直器以及 聚焦透镜；

所述第一光子经过所述光环形器射入所述光纤准直器，准直处理 后射入所述第一空间色散元件，由所述第一空间色散元件射出的第一 光子经过所述聚焦透镜后照射到物体上；由物体反射的所述第一光子 依次经过所述聚焦透镜、第一空间色散元件、光纤准直器以及光环行 器，并由所述光环行器射入所述第一单光子探测器。

进一步地，所述图像发送模块还包括光纤准直器、聚焦透镜以及 光纤收集装置；

所述第一光子射入所述光纤准直器，准直处理后射入所述第一空 间色散元件，由所述第一空间色散元件射出的第一光子经过所述聚焦 透镜后照射到物体上；物体透射的所述第一光子由所述光纤收集装置 收集后射入所述第一单光子探测器。

进一步地，所述图像接收处理模块还包括光纤准直器，所述第二 光子经过所述光纤准直器准直处理后，射入所述第二空间色散模块。

进一步地，所述量子光源包括泵浦光源以及被所述泵浦光源激励 并产生所述第一光子和第二光子的非线性光学元件。

进一步地，所述非线性光学元件为产生二阶参量下转换效应的晶 体或产生三阶自发四波混频效应的非线性光波导。

进一步地，所述产生二阶参量下转换效应的晶体为各种非中心对 称晶格结构的非线性光学晶体，周期极化铌酸锂晶体，周期极化铌酸 锂波导，砷化镓和磷化铟等具有非中心对称晶格结构的半导体材料。

所述产生三阶自发四波混频效应的非线性光波导为石英光纤、硫 化物玻璃光纤、硅波导或氮化镓波导；

所述泵浦光源为脉冲泵浦光源或连续泵浦光源。

进一步地，所述第二空间色散元件为衍射光栅、闪耀光栅、棱镜 或空间光调制器；

所述第一单光子探测器为基于雪崩二极管的单光子探测器或基于 超导纳米线的单光子探测器；

所述单光子探测器阵列为硅单光子探测器阵列、铟磷/铟镓砷磷单 光子探测器阵列，电子倍增电荷耦合器或超导纳米线单光子探测器阵 列。

进一步地，所述图像接收处理模块用图像接收延时处理模块替换；

所述图像接收延时处理模块通过单模光纤与所述量子光源连接， 通过通信信道与所述图像发送模块连接，接收所述量子光源发射的所 述第二光子以及所述图像发送模块发送的所述第一探测时间；所述图 像接收延时处理模块包括时间色散元件、第二单光子探测器以及处理 器；所述第二光子经过所述时间色散元件处理，按照频率的不同进行 不同时间的延时后射入所述第二单光子探测器，并由所述第二单光子 探测器探测得到所述第二探测时间；对于每一个所述第一探测时间， 所述处理器确定与其对应的第二探测时间；所述处理器根据多个所述 第一探测时间和对应的多个所述第二探测时间确定由所述时间色散元 件产生的多个延时信息，利用所述多个延时信息，过符合计算得到物 体的像。

进一步地，所述单光子探测器为基于雪崩二极管的单光子探测器 或基于超导纳米线的单光子探测器；

所述时间色散元件为具有群速色散的单模光纤、长周期光栅或衍 射光栅对。

根据延时信息，得到所述第二光子的频率，根据所述第二光子的 频率得到第一光子的频率，根据所述第一光子的频率得到由所述第一 光子照射到物体的位置，从而生成物体的像。

本发明的核心思想在于：利用光子的频率自由度信息在通信光纤 信道中进行长距离传输后能够有效保持的特点，使用光纤信道对频率 关联的光子对进行长距离的分发，分发后在相距遥远的两处的两个光 子在频率自由度的关联特性会很好的保持。在分发的两处，一处将不 同频率的光子通过空间色散元件投射到不同的空间传播方向照射物体 的不同位置，收集反射或透射的单光子并利用单点单光子探测器进行 探测，记录单光子的到达时刻信息。另一处可以将不同频率的光子通 过空间色散元件投射到不同的空间传播方向进而利用具有一定空间分 辨能力的单光子探测器阵列记录光子到达信息，也可以将不同频率的 光子通过时间色散元件后送入单点单光子探测器记录光子到达的时间 信息。这样将两个光子的频率关联特性转换到空间-空间关联或是空间- 时间关联。通过对两处单光子事件的符合计数测量，即可恢复物体的 信息。在这一过程中记录照射物体光子的探测器是单点探测器不具有 空间分辨性。而被具有一定空间分辨能力的单光子探测器阵列探测的 光子并没有照射物体。物体信息的恢复必须通过两者的符合计数测量 得到。因此实现了量子鬼像的功能。本发明利用光纤可以将两光子送 到距离遥远的两处，实现了将一处的图像利用量子鬼像原理通过光纤 信道长距离传送到另一处的功能。

实施例：

如图1所示，本实施例的基于量子鬼像及单模光纤的图像传送系 统具体包括如下部分：宽谱的产生频率关联双光子(第一光子和第二 光子)的量子光源1；在光纤信道中对频率关联的两个光子进行分发的 单模光纤4，5；图像的发送方2(图像发送模块)和图像的接收方3 (图像接收处理模块)。其中，图像的发送方2持有待成像的物体， 并通过单模光纤信道4接收分发的一个光子。图像的发送方2利用空 间色散元件将不同频率的单光子照射到物体不同的空间位置，收集探 测反射或者透射的光子，并将接收到的单光子事件的时间信息通过公 开信道(图像的发送方到图像的接收方的通信信到)6发送给图像的接 收方3。图像的接收方3通过长距离的单模光纤信道5接收分发光子对 中的另一个光子，并通过空间色散元件将到达的光子根据频率的不同 投射到不同方向，并由具有空间分辨能力的单光子探测器阵列探测并 记录单光子相应的位置信息。图像的接收方3也可以通过长距离的单 模光纤信道5接收分发的另一个光子，并通过时间色散元件为到达的 光子引入一个频率相关的延时，利用单点单光子探测器(第二单光子 探测器)探测记录单光子事件的时间信息。图像的接收方3根据自己 探测的单光子事件的空间信息或时间信息和接收到的图像发送方2的 单光子事件的时间信息实现符合测量，符合测量的结果反映了物体的 成像信息，从而图像的接收方3能够在空间域或者时域对物体成像， 实现基于量子鬼像原理的图像长距离传送。

其中，产生频率关联光子对的量子光源1可以通过非线性光学参量 过程实现。可以用于实现这一量子光源的非线性元件包括能够产生二 阶参量下转换效应的晶体和能够产生三阶自发四波混频效应的非线性 光波导。可以实现二阶参量下转换效应的晶体包括各种非线性光学晶 体，周期极化铌酸锂晶体，周期极化铌酸锂波导，砷化镓和磷化铟等 具有非中心对称晶格结构的半导体材料。可以实现三阶自发四波混频 效应的非线性光波导包括石英光纤，硫化物玻璃光纤，硅波导，氮化 镓波导等。激励非线性过程的泵浦光可以是脉冲泵浦光也可以是连续 泵浦光。

图像的发送方2根据收集反射光或者透射光的需要，可以采用图2 的结构或者图3的结构来实现根据光子的频率将其照射到物体的不同 位置并收集探测的功能。

图2的结构中包括光纤准直器7，空间色散元件8，聚焦透镜9， 待发送图像10，光环形器11，单点单光子探测器12(第一单光子探测 器)。单光子(第一光子)经过环形器11和光纤准直器7发送到空间 中，经过空间色散元件8后，不同频率的光在不同空间方向传播，经 透镜9后聚焦到待发送物体10的不同位置上；在这种结构中待发送物 体10具有空间分布的光反射，反射后的光子经过原路返回，通过环形 器11后在其一个端口出射，送入单点单光子探测器12中记录。

图3的结构中包括，光纤准直器7，空间色散元件8，待发送图像 10，光纤收集装置13以及聚焦透镜9，单点单光子探测器12(第一单 光子探测器)。单光子(第一光子)经过光纤准直器7后发射到空间 光路，经过空间色散元件8后，不同频率的光在不同空间方向传播， 经聚焦透镜9聚焦到待发送物体10的不同位置上；在这种结构中待发 送物体10具有空间分布的光透射，透射后的光子经过一个光纤收集装 置13收集到单点单光子探测器12记录。

图1中的图像的接收方3的光路设计可以有两种实现结构，分别 由图4和图5所示。

图4的结构中，包括光纤准直器14，空间色散元件15和具有空间 分辨能力的单光子探测器阵列15。经光纤分发到图像的接收方3的不 同频率光子，经过光纤准直器14后发射到空间光路，经过空间色散元 件15后，不同频率的光子将会在不同的空间方向传播。利用具有空间 分辨能力的单光子探测器阵列16探测并记录单光子到达探测器的位置。

图5的结构中包括时间色散元件17和单点单光子探测器18(第二 单光子探测器)。经光纤分发到图像的接收方3的不同频率光子，经 过时间色散元件17后，获得不同的延时。利用具有较高时间分辨特性 的单点单光子探测器18进行探测，并记录单光子事件的时间信息。

其中，光纤准直器可以利用透镜组合，或者凹面镜，或者类透镜 介质(包括梯度折射率材料)等将光纤中传播的光耦合成准平行光在 空间中传播。

其中，将不同频率的光子发射向不同的方向的空间色散元件8、15 包括衍射光栅，闪耀光栅，棱镜，空间光调制器等色散元件。

其中，改变不同频率的光子到达单点单光子探测器18的时间色散 元件17包括各种具有群速色散的单模光纤，长周期光栅，衍射光栅对 等。

采用的单点单光子探测器12、18包括基于雪崩二极管技术的单光 子探测器和基于超导纳米线单光子探测器。

采用的具有空间分辨能力的单光子探测器这列16可以是硅单光子 探测器阵列，铟磷/铟镓砷磷单光子探测器阵列，电子倍增电荷耦合器 件(EMCCD)，超导纳米线单光子探测器阵列等。也可以通过对单点 单光子探测器进行空间移动实现空间分辨单光子探测的功能。

本实施例的宽谱频率关联光子对使用飞秒脉冲激光泵浦非线性纳 米硅线波导激励自发四波混频效应产生，使用的纳米硅线波导横截面 的尺寸是450x 220nm,长度约为11mm。利用光通信中广泛使用的粗波 分复用器件(CWDM)对脉冲泵浦光泵浦非线性纳米硅线产生的宽广 荧光谱进行滤波后形成了谱宽约16nm的信号光子(1531±8nm)和闲 频光子(1570±8nm)，并且信号光子和闲频光子(第一光子和第二光子) 的频率是关联在一起的。频率关联的两个光子中的信号光子(第一光 子)经过一段短光纤传输后发送到图像发送方，利用光纤准直器转换 成空间光发射，并进行频率自由度向空间自由度的转换，结构如图2 所示。其中使用的空间色散元件是一个闪耀光栅，待成像图体如图6a 所示。图6a所示的待成像物体具有空间分布的反射率，黑色部分表示 反射率高，白色部分表示反射率低。待成像物体的尺寸为160μm x 160 μm。经过频率自由度向空间自由度转换后的光子将在不同空间方向传 播并照射物体的不同位置。由于本实施例使用的一维光栅来进行空间 色散，因而信号光子照射物体的光斑形成了一条线段，跨度约200μm， 在横向覆盖了待成像物体的范围。

闲频光子(第二光子)利用50km的标准通信单模光纤分发给图像 的接收方。在本实施例中，利用了标准通信单模光纤的群速度色散来 进行单光子频率自由度向时间自由度的转换。标准通信单模光纤的群 速度色散系数约为17ps/nm/km,根据闲频光子的谱宽估计的展宽后的 波包宽度为14ns.

本实施例中对单光子的探测采用的是铟磷/铟镓砷磷单光子探测器， 对单光子事件的时间记录采用的是分辨精度约164.6ps的时间相关单 光子计数模块。图像的接收方通过分析图像的发送方的单光子事件的 时间信息和自己探测到的单光子事件时间信息实现时域符合测量。时 域符合测量结果反映了信号光子照射范围内的待成像物体的反射率分 布。图6b是一个典型的符合计数结果，反映了信号光子照射范围内的 待成像物体的反射率分布。

由于在图像地发送方，频率不同的光子经反射型闪耀光栅在一个 空间方向散开并照射物体的一条线型区域。每次测量得到的是物体一 条线型区域内反射的信息。通过将物体安装在空间位移台上，移动物 体利用光子照射的线型区域扫描待成像物体并重复测量，可以对物体 实现二维图像的传送。图6c是通过扫描待成像物体的方式传送的待发 送物体的二维图像的结果。待成像物体在垂直于信号光子照射线型区 域方向的移动步长是10μm。本实施例的结果说明了本发明的二系统能 够实现基于量子鬼像原理在光纤信道中实现图像的长距离传送。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解， 对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本 发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。