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鬼成像发展历史及现状

学号：1011010430姓名：陈超

一，引言

近年来，量子通信作为一门新兴学科得到了迅猛的发展。它巨大的科学意义

和潜在应用价值不仅引起物理学家、信息科学家的兴趣，而且也引起各国政府、

军事部门、金融银行和企业厂商的重视。它的未来发展势将对整个基础科学和工

程科学，包括计算机科技、通讯科技、材料工程、精密测量技术、量子基础科学

及信息论科学带来一次巨大的变革。

在对非线性晶体的自发参量下转换过程产生的双光子纠缠态进行的理论和

实验的研究中，发现了一些新的光学现象，如鬼成像[1]等。这些奇特的物理效

应更新了我们对光现象的认识的传统观念，为开拓新的光信息技术提供了可能。

由于光源具有量子纠缠特性，人们自然将之归于量子纠缠态的非定域性。在鬼成

像系统中，纠缠光子对在空间上是分离的，鬼成像技术可以通过测量这两个相关

光源而获得物体的像，而单独测量某一光源只能获得有限的信息。鬼成像技术以

其独特的非定域成像方式引起人们极大的研究热情，并在军事、医疗以及搜救等

领域有着不可估量的应用价值。在军事上，鬼成像传感器可以使直升机或无人机

获得能评估投下的炸弹所造成的破坏程度的图像，可以在硝烟弥漫的战场上辨别

敌我。除此之外，在医学领域和搜救行动中也能利用这种成像技术并且能避免云

雾和烟等使常规成像技术无能为力的气象条件的干扰，从而获得更清晰的图像。

作为量子通信和量子信息领域分支的鬼成像，以其独特的成像方式以及潜在的应

用价值受到越来越多的关注。

二，发展历史及成果

(一)鬼成像基本知识

如图2.1所示，所谓鬼成像就是由同一个光源发出的两束光，其中一束通过

物体照射探测器（称为信号光），另一束光（称为闲置光）的光路上不包含任何

物体，最后对这两束光进行符合计数，符合测量的结果重现了物体，这种成像称

为关联成像或鬼成像。鬼成像按阶数可分为二阶、三阶、甚至更高阶，按光源可

分为真热光源（完全非相干光）、赝热光源、双光子纠缠光源和部分相干光光源。

真热光源所发出的光称为热光，有时也称混沌光。真热光源中的大量原子、分子

是独立地、随机地通过自发辐射发光的，各个基元辐射体发射的波列的相位关系

是随机变化的。它们叠加而成的热光场有两个特点：首先热光场有着剧烈的随机

涨落，其次热光场服从高斯统计分布，这是中心极限定理的直接结果。绝大多数

光源，例如太阳、白炽灯、气体放电灯等都是热光源。赝热光源是通过激光入射

毛玻璃产生的，因为这种光源的相干时间可调、亮度高，且具有良好的单色性。

双光子纠缠光源是由自发参量下转换产生的纠缠双光子。自发参量下转换过程是

一种非线性过程，当一束高频泵浦光入射到光学非线性晶体上，晶体会自发地辐

射一对信号——闲置光子，在被探测前，信号光子(或闲置光子)的位置和动量都

是随机的。不同于一般经典成像技术，量子成像是利用光场的量子力学性质，在

量子水平上发展出新的光学成像和量子信息并行处理技术。相对于传统光学成像

1

技术中通过记录辐射场的光强分布从而获取目标的图像信息的方法，量子成像则

图2.1

是通过信号光与闲置光的符合计数来得到物体的图像，而单一支路的探测器只能

获得非常有限的物体信息，并且成像分辨率可以超过衍射极限。

（二）鬼成像发展及成果

上世纪八十年代，前苏联学者Klyshko根据自发参量下转换光子对的纠缠

行为，提出了鬼成像方案。1993年巴西科学家通过实验发现，采用纠缠光源，

通过符合计数，能使原本由于退相干而消失的杨氏干涉条纹重新呈现在包含杨氏

双蜂的光路上。稍早些时候，俄国科学家采用同样的手段，使得物体的边缘衍射

条纹，呈现在并不包含物体的光路上。此后，有关非局域性量子成像的研究迅速

开展起来。Pitman于1995年提出鬼成像，认为这是一种通过复合计数得到物体

像的方法。他的实验使用纠缠光子对，一路透过物体到达光子计数器，另一路直

接到达光子计数器[2]。同年美国马里兰大学YanhuaShih小组首次在实验上实现

了双光子纠缠源的鬼成像。实验中有两个令人困惑的特征：一是对任何单路光的

强度的测量均不能得到有关物体的任何信息；二是符合测量中的空间分辨部分是

在没有物体的闲置光路中进行的，而对有物体的信号光路只进行桶测量。90年

代在量子光学和量