基于光子轨道角动量纠缠的压缩“鬼”成像研究

Ghost imaging is currently a hot topic in quantum optics. At the idler path, one can obtain a clear image of an object, when there is no information of the object in the path. Quantum ghost imaging using entangled-photon could exceed the diffraction limit, has high solution and high visibility. Therefore, it will have an extensive usage in optically harsh (difficult to be reached) or noisy environments. However, it will cost a long time to obtain an image in the existed quantum ghost imaging scheme due to low photon flux and resource-inefficient transverse detection. In the proposal, we will do research on quantum ghost imaging by taking advantange of compressed sensing (CS), the advanced signal processing method in information processing area, and orbital angular momentum (OAM) states, the crutial theory and experimental technique in quantum optics. Using the multiplexing concept from code-division multiple access in modern communcations, we will first propose a multiple-mode superposition modulation/ demodulation method with the properties of OAM states and the linear superpostion theorem for quantum states. Based on the method, we will design a scheme of compressive quantum ghost imaging using OAM. The scheme using entangled photons with OAM and using CS algorithm will provide a high-resoltion images with a shorter reconstructed time. Moreover, the scheme will be a good candidate for the ghost imaging of multiple grayscales object and color object. At last, we will implement the scheme on our platform for quantum communications. The research results are significant and valuable to distributed image processing, and distributed sensing and communication schemes.

近年来，"鬼"成像是量子光学领域的前沿和热点之一，能够在没有物体的参考光路获得物体清晰图像。基于量子纠缠"鬼"成像可突破经典衍射极限，具有高分辨率和高可见度，有广阔的应用前景。量子"鬼"成像在实现时会遇到光子数少和低检测效率的困惑，成像时间较长。本项目拟将信息处理领域中压缩感知（CS）这种先进的信号处理方法和量子光学领域中轨道角动量（OAM）态这一重要的理论和技术相结合来研究"鬼"成像，是信息处理、量子光学领域交叉课题。在已有实验平台上，借助码分多址等多用户通信概念，利用OAM态正交性和量子态线性叠加性，设计和实现多态叠加OAM调制/解调算法；在此基础上，利用CS理论设计基于CS的OAM纠缠"鬼"成像最优方案，理论上探索成像时间短、分辨率高，可适用于多灰度、多色彩的新型成像方法和技术，并在实验上实现。本项目研究结果将对分布式图像处理、分布式感知及通信方案等的研究具有重要理论意义和实用价值。

本项目将信息处理领域中压缩感知这种先进的信号处理方法和量子光学领域中轨道角动量态及轨道角动量态纠缠与“鬼”成像的理论相结合，获得了高效、快速的新型成像方法和技术。主要成果为：(1)结合数字图像编码和轨道角动量态特性，提出了基于光子轨道角动量的多灰度鬼成像方法。在此基础上，提出了基于光子轨道角动量的量子图像传输和彩色物体光子轨道角动量纠缠鬼成像；讨论了大气湍流对光子轨道角动量纠缠鬼成像的影响，以及基于信道编码降低这种影响的方法。（2）基于光子轨道角动量纠缠，提出一种大符号量子密钥分发协议；研究光子轨道角动量纠缠在物体识别中的应用，提出一种基于光子轨道角动量纠缠鬼成像的非正交物体识别方法。（3）进一步研究压缩感知理论，提出了基于SL0压缩感知信号重建改进算法、混合支撑集模型的联合半迭代硬阈值追踪重构算法和广义半迭代硬阈值追踪算法；将压缩感知与鬼成像方案相结合，提出多种提高成像质量、降低成像时间的方法，包括差分压缩鬼成像、对应归一压缩鬼成像、基于少量数据预处理的差值筛选鬼成像和复值透射物体压缩鬼成像等。（4）将计算鬼成像应用于光学加密，提出基于QR码的压缩鬼成像光学加密、基于压缩鬼成像的数字水印、双密钥光学加密和乱序散斑的光学加密方法等。（5）基于光子轨道角动量纠缠的压缩鬼成像优化模型，搭建相关实验装置，完成了基于压缩感知的光子轨道角动量纠缠鬼成像实验。（6）对量子信息、量子纠缠纯化、量子密钥分发等进行研究，提出了多种量子纠缠提取和纯化方法；讨论大气湍流对光子轨道角动量态信息传输的影响，以及有效抑制干扰影响的方法。“鬼”成像是量子光学领域的前沿和热点，基于量子纠缠或者经典光场涨落的关联特性，通过测量参考光场与目标探测光场之间的强度关联，可以非局域地获取目标物体信息。具有高分辨率和高可见度量子纠缠“鬼”成像，可突破经典衍射极限，具有广阔的应用前景和价值。