[超表面论文快讯-200]PNAS-超表面辅助的多模态量子成像-南京大学祝世宁院士/新国立仇成伟院士团队
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论文基本信息：
标题：
Metasurface-assisted multimodal quantum imaging作者：
Yifan Zhou（南京大学物理学院）；
Xiaoshu Zhu（南京大学物理学院）；
Tianyue Li（南京大学物理学院）；
Zhou Zhou（新加坡国立大学电子与计算机工程系）；
Qianhui Bi（南京大学物理学院）；
Jun Liu（南京大学物理学院）；
Jian Chen（上海理工大学光电信息工程学院）；
Boyan Fu（南京大学物理学院）；
Juanzi He（南京大学物理学院）；
Xiaojing Feng（南京大学物理学院）；
Xinyang Feng（南京大学物理学院）；
Xingyu Liu（南京大学物理学院）；
通讯作者 王前进（南京大学物理学院）；
通讯作者 王漱明**（南京大学物理学院）；
**通讯作者 王振林（南京大学物理学院）；
通讯作者 仇成伟院士（新加坡国立大学电子与计算机工程系）；
通讯作者 祝世宁院士（南京大学物理学院）发表时间：
2025年5月2日（其中2025年1月11日投稿，2025年3月30日接收）发表期刊：
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（美国国家科学院院刊）（JCR-Q1，IF=9.1）
论文重要图文：
摘要：传统量子成像以卓越的灵敏度和信噪比为特征，但受限于体积庞大与功能静态（仅能实现相位对比成像或边缘检测）。本研究将偏振纠缠源与由多种精心设计的空间频率段组成的超表面相结合。通过调谐偏振，我们实现了多种“开启”态量子成像模式，支持在相位对比、边缘检测及任意叠加成像模式间灵活切换。此外，表征背景噪声的“关闭”态可通过从“开启”态模式中扣除该噪声实现系统自校准，进而达成自增强边缘检测。我们的方法可对目标物体中π/4的相位差进行相位对比成像，且边缘成像能检测微小（半径约2 μm）缺陷，同时保持高图像对比度（相位对比度0.726，增强边缘对比度0.902）。研究结果揭示了量子成像与超表面光学的协同作用。
图1 | 多模态量子远程成像方案与超表面表征
(A) 偏振纠缠源的信号光入射至超表面，实现不同成像模式。通过选择预示光子与信号光子的偏振态，可确定信号臂的成像模式（相位对比、边缘、叠加或“关闭”模式）。箭头表示投影偏振态。相位物体（上层面板“鸟”）的相位分布图——绿色、白色、黄色区域分别对应π/4、π/2、3π/4相位。
(B) 超表面单元的透视图。
© 超表面单元排列示意图。
(D) 超表面侧视扫描电子显微镜（SEM）图像。
(E) 超表面顶视SEM图像。超表面尺寸350 μm，内部尺寸14 μm，结构周期350 nm，由氮化硅纳米棒构成。
图2 | 纠缠光源的实验装置与表征
(A) 实验装置图。390 nm紫外脉冲激光经真零级半波片（THWP）与三明治结构的两片类光束β-硼酸钡（BBO）晶体，产生偏振纠缠光子对。光子经棱镜分束至预示臂与信号臂。四分之一波片（QWP）组选择性探测预示光子；信号光子与超表面（MS）作用后，由门控增强型电荷耦合器件（ICCD）相机采集（门控信号由预示探测触发）。BBO：β-硼酸钡晶体；THWP：真零级半波片；HWP：半波片；QWP：四分之一波片；FC：光纤耦合器；PBS：偏振分束器；OL：物镜；SPAD：单光子雪崩二极管；PO：相位物体；BF：带通滤光片。
(B) 信号臂半波片固定于0°（蓝色）与22.5°（橙色）时的数据正弦拟合。
© 双光子态重构密度矩阵ρ的实部与虚部。
图3 | 远程调谐边缘与相位对比成像的实验结果
(A) 目标物体的SEM图像及局部放大图。
(B) 经典成像；
© 无超表面调制的量子成像；
(D) 量子相位对比成像；
(E) 量子边缘成像；
(F–I) 沿白色虚线的强度变化。
图4 | 投影至不同偏振基的多模态量子成像结果
(A) “关闭”功能采集的原始DA与AD数据（用于自校准处理）。
(B) 横轴为信号臂偏振态投影，纵轴为预示臂偏振态投影。
© 椭圆偏振态下采集并处理的相位对比与边缘图像。坐标系内显示的图像为投影至不同偏振态后经噪声处理的结果。
论文快览：
解决的问题：
量子成像凭借高灵敏度与信噪比推动了多领域发展，但传统系统因体积庞大、功能单一（仅支持相位对比或边缘检测），面临集成度低、适用性受限的挑战。现有技术虽尝试结合超表面优化成像质量，但动态多模态切换与系统自校准仍是未解决的关键问题，限制了量子成像在复杂场景中的应用潜力。
提出的方法：
设计偏振复用超表面与偏振纠缠光源协同的多模态量子成像系统。超表面通过空间频率分段调制，将入射光的中低频部分偏振正交转换并引入π相位差，高频部分保持原偏振；结合偏振纠缠光子对（态为1/√2(|HV⟩+|VH⟩)），通过选择 heralding 光子与信号光子的偏振基，将纠缠态投影至不同模式，实现相位对比、边缘、叠加成像模式的远程切换；利用“关闭”模式（如DA/AD偏振基）检测背景噪声，通过噪声扣除实现自校准。
实现的效果：
系统可识别相位差π/4的目标，检测半径约2μm的微小缺陷；相位对比成像对比度达0.726，边缘成像经自校准后对比度提升至0.902；偏振切换响应支持亚毫秒级模式调控，在低光子通量（信号臂计数率210 kHz）下仍保持高信噪比。
创新点分析：
突破传统量子成像单功能限制，首次通过偏振纠缠光源与超表面的偏振-空间频率协同调制，实现多模态（相位对比、边缘、叠加）量子成像的动态切换，解决了系统集成度与功能拓展的矛盾；引入“关闭”模式自校准机制，利用噪声光子扣除显著提升边缘成像对比度（0.902），为低光场景下的高稳定成像提供新范式；超表面对椭圆偏振光的兼容性设计降低了系统对特定偏振态的依赖，拓展了量子成像的应用普适性。
- Y. Zhou,X. Zhu,T. Li,Z. Zhou,Q. Bi,J. Liu,J. Chen,B. Fu,J. He,X. Feng,X. Feng,X. Liu,Q. Wang,S. Wang,Z. Wang,C. Qiu,& S. Zhu,Metasurface-assisted multimodal quantum imaging, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (18) e2500760122, https://doi.org/10.1073/pnas.2500760122 (2025).
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