应用探究｜超越鬼成像（一）：基于PPKTP实现跨波段“无探测”量子成像

2025年被联合国正式设立为国际量子科学与技术年，本年度诺贝尔物理学奖同样落地量子物理领域，量子相关技术的产业化节奏正在明显加快。

提到量子力学，量子纠缠一直是最具代表性的物理现象：纠缠粒子整体量子态确定，但单个粒子不存在固定状态，测量关联可控、单点结果随机。以往大多资料聚焦纠缠光子在量子通信领域的应用，实际上依托SPDC纠缠光源，量子成像也是当下落地较快的研究方向。

一、经典成像与量子成像

常规经典成像逻辑很直白：光源直射被测物体，探测器直接采集二维光强分布完成成像。缺点也十分直观，光路与探测深度绑定，极易受大气散射、光学热噪声干扰，成像分辨率受衍射极限、探测器硬件限制。

量子成像改用非经典纠缠光源，依托量子符合测量、量子干涉完成重构，实现光路、探测解耦。目前搭建纠缠光源最主流的手段，是利用周期性极化非线性晶体，借助自发参量下转换（SPDC）产生纠缠光子对。

常用晶体包含PPLN、PPKTP两类，通过调控极化周期、温控、相位匹配方式，能够按需输出不同波长、偏振、发散角的纠缠光子。实际调试体感：PPKTP温控稳定性更佳、光路走离小，适合精密量子成像；PPLN波段可调范围更广，适配大功率变频场景。

二、基础：量子鬼成像 QGI

鬼成像分为经典热光源鬼成像、量子鬼成像（QGI）两类，二者均可实现离物成像，探测器不需要正对被测样品。依托纠缠光子的量子鬼成像，关联性更强，抗干扰、成像速度、分辨率全面优于经典鬼成像。

整体光路逻辑：

1. 泵浦激光入射PPKTP晶体，SPDC效应生成信号光、闲频光纠缠光子对；

2. 信号光照射待测物体，搭载物体光强信息，接入无空间分辨能力的桶探测器；

3. 闲频光不接触物体，直接由高分辨率相机采集空间信息；

4. 筛选同一时序光子做符合计数，关联运算两路数据重构图像。

量子鬼成像最大价值：降低探测硬件门槛，同时依靠量子纠缠的强关联性，大幅优化复杂环境下的成像稳定性。

三、进阶：无探测光子量子成像 QIUP

QIUP在量子鬼成像基础上迭代优化，也是本次探究的核心技术。二者最本质区别：

• QGI：和物体作用的光子必须参与探测，依赖双光子符合计数；

• QIUP：和物体交互的光子全程不探测，仅探测空闲光子，依靠量子干涉成像。

3.1 基准实验参数（可直接复现）

参考领域开山文献，整套成像系统采用Type-0相位匹配PPKTP晶体：

• 晶体极化周期：9.675μm

• 泵浦波长：532 nm

• 输出纠缠光子：810 nm、1550 nm非简并共线光子对

• 工况要求：闭环温控锁定相位匹配，消除晶体热漂移误差

3.2 光路原理

1. 泵浦光经由偏振分束器PBS拆分为透射、反射两路；

2. 透射泵浦光打入第一块NL1-PPKTP，产生纠缠光子，闲频光穿透待测物体，携带振幅、相位信息；

3. 携带物信息的闲频光反射耦合，与另一路泵浦光共线；

4. 泵浦光激励NL2-PPKTP生成第二束闲频光，校准空间模态，两路光子光路不可区分；

5. 路径不可区分触发量子干涉，最终仅探测810nm信号光，1550nm探测端全程避光、不采集信号。

注：光路示意图配色仅用于区分光路分支，和激光实际发光波长、颜色无关。

3.3 技术优势

• 跨波段信息迁移：红外1550nm物体信息，转嫁至近红外810nm探测，适配硅基科研相机，规避红外探测器热噪声高、造价昂贵的痛点；

• 舍弃双光子符合计数，直接单光子采集，有效提升成像帧率；

• 工作波长可调谐，拓展成像适用场景。

四、强度成像与相位成像双模态

量子干涉对光路相位、光程变化极度敏感，依托该特性，一套QIUP光路无需改动硬件，即可实现两种成像模式：

强度成像：适配不透光、吸光样品。物体遮挡光路区域破坏干涉条件，干涉条纹消失，干涉可见度直接映射样品透射率分布。

相位成像：适配透明薄膜、生物切片。样品厚度、折射率不均匀引入相位延迟，相位信息经由量子干涉传递，完成无损相位探测。

五、小结与连载预告

基于双PPKTP搭建的QIUP系统，可以实现跨波段无探测量子成像，补足传统光学成像噪声高、红外探测成本高的短板，适配生物检测、材料表征、红外成像领域。

但是分立双晶体光路缺陷十分明显：光路校准繁琐、抗振性差、体积臃肿，很难工程化落地。

后续连载：应用探究｜超越鬼成像（二）：基于PPLN单晶体折返“无探测”量子成像

沿用QIUP量子干涉核心原理，改用PPLN晶体，设计单晶体折返光路，删减一组非线性晶体，优化光路集成度，兼顾成像性能与工程实用性。

补充：实验晶体说明

本文所用PPKTP、下篇用到的MgO:PPLN均为周期性极化非线性晶体，本次实验选用英国Covesion商用晶体，深耕非线性光学器件二十余年，覆盖紫外至中远红外全波段变频场景，可按需定制极化周期、镀膜、光学加工，适配量子成像、纠缠光源搭建实验。