量子イメージング

量子イメージング^{[1] [2]は}量子光学の新しい分野であり、電磁場の量子もつれなどの量子相関を利用して、古典光学では不可能な解像度やその他のイメージング基準で物体をイメージングします。量子イメージングの例としては、量子ゴーストイメージング、^[3]量子リソグラフィー、^[4]未検出光子によるイメージング、^[5]サブショットノイズイメージング、^{[6] [7]} および量子センシングがあります。量子イメージングは​​将来、量子コンピュータにデータのパターンを保存したり、大量の高度に安全な暗号化された情報を伝送したりするために役立つ可能性があります。量子力学は、光にはその特性に固有の「不確実性」があり、その特性の瞬間ごとの変動として現れることを示しています。一種の「ノイズ」を表すこれらの変動を制御することで、かすかな物体の検出を改善し、より優れた増幅画像を作成し、作業者がレーザービームをより正確に配置できるようになります。^[8]

量子イメージングは​​さまざまな方法で行うことができます。1つの方法は、自由電子レーザーからの散乱光を使用します。この方法では、光を準単色擬似熱光に変換します。^[9]相互作用のないイメージングとして知られるもう1つの方法は、光子を吸収せずに物体の位置を特定するために使用されます。^[10]量子イメージングのもう1つの方法は、ゴーストイメージングとして知られています。このプロセスでは、光子ペアを使用して画像を定義します。画像は2つの光子間の相関によって作成され、相関が強いほど解像度が高くなります。^[11]

量子リソグラフィーは、光子の側面に焦点を当てて古典的なリソグラフィーの限界を超える量子イメージングの一種です。エンタングルメント光を使用すると、有効解像度はレイリー限界のN倍小さくなります。^[12]別の研究では、ラマンパルスによって生成された波はピークが狭く、幅は古典的なリソグラフィーの回折限界の4分の1であることがわかりました。^[13]量子リソグラフィーは、通信やコンピューティングへの応用が期待されています。 ${\displaystyle \Delta x={\frac {\lambda }{2}}}$

量子イメージングのもう1つのタイプは、量子計測、または量子センシングと呼ばれます。これらのプロセスの目標は、古典的な光学による同等の測定よりも高いレベルの精度を達成することです。個々の粒子^[14]または量子システム^[15]の量子特性を利用して測定単位を作成します。これにより、量子計測は古典的な試みを超えて精度の限界を高めます。^[16]

フォトニクスと量子光学では、量子センサーは連続変数システム、つまり位置や運動量の直交位相などの連続自由度を特徴とする量子システム上に構築されることがよくあります。基本的な動作メカニズムは、通常、スクイージングまたは 2 モードのエンタングルメントを持つ光の光学状態を使用することに依存しています。これらの状態は、干渉測定によって最終的に検出される物理的変換を記録するのに特に敏感です。

量子計測を実行する手順の多くは、光の測定の確実性を必要とします。絶対光子源は光子の起源を知ることで、どの測定が画像化されているサンプルに関係するかを判断するのに役立ちます。絶対光子源にアプローチする最良の方法は、自発的パラメトリックダウンコンバージョン（SPDC）を使用することです。同時測定は、光子数に関して記録された入射光子の量を考慮することにより、環境からのノイズを減らすための重要な要素です。^[17]ただし、光子の不正確な検出によってエラーが発生する可能性があるため、これは完璧なシステムではありません。

古典的なエリプソメトリーは、物質に照射された光から生じる反射率、位相シフト、および厚さを決定するために使用される薄膜物質特性評価方法論です。ただし、この方法は、ユーザーが参照および較正できるように特性が十分にわかっている場合にのみ効果的に使用できます。量子エリプソメトリーには、較正のために物質の特性が明確に定義されている必要がないという明確な利点があります。これは、検出された光子は、すでに別の検出された光子と相対的な位相関係を持っているため、測定された光が研究対象の物質からのものであることが保証されるためです。^[18]

光コヒーレンストモグラフィーは、距離調整可能なミラーを使用したマイケルソン干渉法を使用します。コヒーレント光はビームスプリッターを通過し、一方の経路はミラーに当たってから検出器に当たり、もう一方の経路はサンプルに当たってから検出器に反射します。量子アナログは、エンタングル光子とホン・オウ・マンデル干渉計を使用して同じ前提を使用します。検出された光子の同時カウントにより、より認識可能な干渉が可能になり、ノイズが減り、解像度が向上します。

量子イメージングの研究が進むにつれて、ますます多くの現実的な方法が登場しています。そのうちの2つはゴーストイメージングと量子照明です。ゴーストイメージングは​​、2つの光検出器を利用して、肉眼では直接見えない物体の画像を作成します。最初の検出器は対象物体を観測しないマルチピクセル検出器であり、2番目の検出器は対象物体を観測するシングルピクセル（バケット）検出器です。^[18]パフォーマンスは、解像度と信号対雑音比（SNR）によって測定されます。SNRは、ゴーストイメージングの結果として画像がどれだけよく見えるかを決定する上で重要です。一方、解像度と細部へのこだわりは、画像内の「斑点」の数によって決まります。^[19]ゴーストイメージングは​​、従来のカメラでは不十分な場合に画像を生成できるため重要です。

量子照明は、2008 年に MIT のセス・ロイドと共同研究者によって初めて導入され^[20]、光の量子状態を利用しています。基本的なセットアップは、ターゲット検出によるもので、送信者が信号とアイドラーの 2 つのエンタングルメント システムを準備します。アイドラーは、信号が低反射率でノイズの多い背景を持つオブジェクトを確認するために送信される間、所定の位置に保持されます。オブジェクトの反射が送り返され、アイドラーと反射信号が組み合わされて共同測定が作成され、オブジェクトが存在するか、オブジェクトが存在しないかの 2 つの可能性のうちの 1 つが送信者に伝えられます。量子照明の重要な特徴は、アイドラーと反射信号間のエンタングルメントが完全に失われることです。したがって、初期のアイドラー信号システムでのエンタングルメントの存在に大きく依存しています。^[21]

量子イメージングは​​、大きな可能性を秘めていると期待されています。将来的には、量子コンピューターにデータのパターンを保存したり、高度に暗号化された情報による通信を可能にしたりするために使用できます^[要出典]。量子イメージング技術により、かすかな物体の検出、増幅された画像、レーザーの正確な位置の検出が向上します。今日、量子イメージング (主にゴーストイメージング) は、軍事および医療の分野で研究およびテストされています。軍隊は、肉眼や従来のカメラが機能しない状況で、ゴーストイメージングを使用して敵や物体を検出することを目指しています。たとえば、敵または物体が煙やほこりの雲に隠れている場合、ゴーストイメージングにより、人がどこにいるのか、味方なのか敵なのかを知ることができます。医療分野では、イメージングは​​精度を高め、X線検査中に患者に照射される放射線の量を減らすために使用されます。ゴーストイメージングにより、医師は人体の一部を直接接触せずに見ることができるため、患者への直接放射線の量を減らすことができます^[要出典]。軍事分野と同様に、骨や臓器など人間の目では見えない物体を有益な特性を持つ光で観察するために使用されます。^[22]

• Quantiki における量子イメージングの概要。

• Journal of Modern Optics . アビンドン: Taylor & Francis.  53 (5, Quantum Imaging ). ISSN  0950-0340.