北理工課題組在高維糾纏量子全息和圖像安全加密研究方面取得重要進展
發(fā)布日期：2023-02-03 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授課題組基于高維軌道角動量糾纏態(tài)，實現(xiàn)了高維量子全息和圖像安全加密,。相關(guān)成果以“High-dimensional entanglement-enabled holography”為題發(fā)表在國際物理學(xué)頂級學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 130, 053602 (2023)]上,。北京理工大學(xué)物理學(xué)院孔令軍研究員、孫亦凡副研究員為該論文的共同第一作者,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授為論文通訊作者,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張福榮博士、張景風(fēng)博士也為該工作做出了重要貢獻,。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委的大力支持,。
研究背景：
經(jīng)過70多年的發(fā)展，全息技術(shù)已成為現(xiàn)代光學(xué)的重要工具,，并已滲透到我們生活,、生產(chǎn)中的很多方面，也慢慢地改變著我們的生活和生產(chǎn)方式,。日常生活中,，各大商場或賣場的門口放置的投射儀器，在地面或墻面上投影出絢麗的圖案,，以吸引顧客,。這里就用到了全息投影技術(shù)。近年來,，商業(yè)上也涌現(xiàn)出了全息餐廳,、全息婚禮、全息舞臺,、全息展廳等等這樣的新概念,。這些都直觀地反映出全息技術(shù)對我們的生活的潛移默化的影響。另外,，全息技術(shù)在防偽方面也發(fā)揮著重要的作用,。目前，市面上很多產(chǎn)品的防偽標(biāo)志是基于全息技術(shù)設(shè)計和制作出來的,。包括我們國家發(fā)行的人民幣,，上面也有全息技術(shù)防偽圖案。此外,，全息技術(shù)在醫(yī)學(xué)顯微方面也有著重要的應(yīng)用。比如,，基于全息技術(shù)的相位顯微鏡為醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的發(fā)展提供了有力的工具,。
近年來,，人們將經(jīng)典全息技術(shù)和量子光學(xué)相結(jié)合從而實現(xiàn)全新的全息技術(shù)，例如,，基于偏振糾纏實現(xiàn)了量子全息[Nat. Phys. 17, 591 (2021)],。在該方案中，物體的圖像信息被編碼在偏振自由度上,。與經(jīng)典全息技術(shù)相比,，量子全息技術(shù)具有能夠有效地抵抗經(jīng)典噪聲的干擾和隨機相位的干擾、提高分辨率等諸多優(yōu)點,。然而,，偏振是二維自由度，這極大地限制了量子全息攜帶信息的能力,。如何提高量子全息攜帶信息的能力,？能否實現(xiàn)高維糾纏的量子全息？均是人們期待解決的問題,。
研究亮點之一：高維糾纏量子全息的實現(xiàn)
首先,，研究人員將高維軌道角動量(OAM)糾纏態(tài)引入到全息成像中，并提出了一種實現(xiàn)高維量子全息的方法,。方案示意圖如圖1(a)所示,。通過使用405nm激光器泵浦非線性晶體BBO制備高維OAM糾纏光子對(光子-A和光子-B)。透鏡L1和L2組成4f系統(tǒng)將BBO晶體所在的平面成像在空間光調(diào)制器SLM-A和SLM-B上,。與SLM-A相互作用之后,，光子-A由透鏡Lc1和Lc2耦合到單模光纖(SMF)中，并被單光子探測器(D-A)探測,。SLM-A和SMF一起起到了將OAM態(tài)投影到基模高斯光束態(tài)的作用,。SLM-B用于顯示全息圖。光子-B在與SLM-B相互作用和傅里葉變換(由透鏡Lf完成)之后,，由多模光纖(MMF)收集并被單光子探測器(D-B)探測,。最后，在Lf的后焦面內(nèi)掃描MMF的輸入端面,，全息圖像可以通過D-A和D-B之間的符合測量重構(gòu)出來,。
圖1. 高維軌道角動量糾纏量子全息方案示意圖(a)及其測量結(jié)果(b)。
為了使得高維糾纏態(tài)中的每一個OAM態(tài)都能夠攜帶信息且可被區(qū)分,，研究人員引入了OAM態(tài)的強選擇方法,。這里OAM態(tài)的強選擇方法的實現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是全息圖的制作。與傳統(tǒng)的全息圖的制作不同,，具有OAM態(tài)的強選擇性的全息圖的制作需要先將目標(biāo)圖像與采樣陣列相乘,，然后再將點陣圖像轉(zhuǎn)換成全息圖。最后再在全息圖上添加一個OAM態(tài)對應(yīng)的相位,。此時,，目標(biāo)圖像的信息就有該OAM態(tài)所攜帶,。圖1(a)的上側(cè)顯示了一個以“BIT”字母為目標(biāo)圖像的全息圖的制作過程。
實驗中,，在目標(biāo)圖像的重構(gòu)過程中,，將具有OAM態(tài)的強選擇性的全息圖加載于SLM-B上，而在SLM-A上加載相應(yīng)的OAM態(tài)的相位全息圖,。由于目標(biāo)圖像(字母“BIT”)加載于OAM態(tài)|1>上(如圖1(a)的上側(cè)所示),，所以只有將OAM態(tài)為|1>的相位全息圖加載在SLM-A上才能重構(gòu)出目標(biāo)圖像。實驗結(jié)果如圖1(b)所示,。
圖2. 高維軌道角動量復(fù)用量子全息,。
研究人員進一步將多個具有OAM態(tài)的強選擇性的全息圖復(fù)用在一起，實現(xiàn)了高維OAM復(fù)用量子全息技術(shù),，大大提升了量子全息攜帶信息的能力,。復(fù)用方法如圖2(a)所示。設(shè)多個目標(biāo)圖像為字母O,，…,，A，…,，M…,。先制作每一個目標(biāo)圖像的具有OAM態(tài)的強選擇性的全息圖。這里需要用不同的OAM態(tài)攜帶不同的目標(biāo)圖像,。最后,，將所有的OAM選擇性全息圖復(fù)用在一起得到OAM復(fù)用全息圖。在目標(biāo)圖像的重構(gòu)過程中,，將OAM復(fù)用全息圖加載于SLM-B上,，當(dāng)在SLM-A上加載不同的OAM態(tài)的相位全息圖時，即可獲得不同的目標(biāo)圖像,。圖2(b)展示了一個六維情況的實驗結(jié)果(這里的六個目標(biāo)圖像是字母O,、A、M,、E,、Q和H)。這些結(jié)果證明了高維OAM復(fù)用量子全息的可行性,。
研究亮點之二：高維糾纏量子全息具有很好的魯棒性
量子全息的一個優(yōu)點是它對經(jīng)典噪聲有很好的魯棒性,。為了檢測該量子全息的這一優(yōu)點，研究人員在OAM量子全息實驗中,，在有經(jīng)典噪聲白光照射的情況下,，重構(gòu)了加載于OAM態(tài)上的目標(biāo)圖像。實驗結(jié)果如圖3(a)所示,，實驗結(jié)果表明在存在經(jīng)典噪聲的情況下,，目標(biāo)圖像(字母“BIT”)依然可以清晰地被重構(gòu)出來,?；诮?jīng)典全息重構(gòu)出的實驗結(jié)果如圖3(b)所示,。由此可見，基于經(jīng)典全息是無法在有經(jīng)典噪聲的情況重構(gòu)出清晰的目標(biāo)圖像的,。在OAM量子全息系統(tǒng)中,，符合測量計數(shù)不僅與每個探測器(D-A和D-B)單路計數(shù)有關(guān)，也與探測到的光子的時間相關(guān)性有關(guān),。經(jīng)典噪聲可以大大增加D-A和D-B的單路計數(shù),，卻只會略微增加符合測量計數(shù)，因為來自經(jīng)典噪聲的單路計數(shù)不具有時間相關(guān)性,。因此,，在量子全息中，在存在經(jīng)典噪聲的情況下,，目標(biāo)圖像依然可以清晰地被重構(gòu)出來,。
圖3. 量子全息的魯棒性。(a) OAM量子全息的重構(gòu)結(jié)果,，(b) OAM經(jīng)典全息的重構(gòu)結(jié)果,。
研究亮點之三：提高全息圖像加密的安全性
與基于經(jīng)典OAM全息圖像加密方案[Nat. Photon. 14, 102 (2020)]相比，該工作提出的高維OAM量子全息加密方案能夠進一步提高圖像加密的安全性,。以經(jīng)典比特和量子比特為例,，經(jīng)典比特必須處于基態(tài)“0”或“1”；而,，量子比特允許量子態(tài)處于兩個基態(tài)的相干疊加態(tài),。這里，我們用OAM態(tài)|1>和|-1>為例,。在圖4(a)所示的一階OAM龐加萊球中,，|1>和|-1>分別位于北極和南極。|1>和|-1>的疊加態(tài)可以用龐加萊球面上的一個點來描述,。在我們的OAM量子全息系統(tǒng)中,，信息原則上可以加載于龐加萊球面上的任何點對應(yīng)的OAM態(tài)。這意味著如果沒有提前知道加密文本的秘鑰,，則必須在無限多個可能狀態(tài)中猜測密鑰來解密文本,。對于高維糾纏態(tài)，情況可以類推,。因此該高維OAM量子全息技術(shù)可以提高加密文本的防盜竊能力,，提高了全息圖像加密的安全性。
研究人員以四維OAM量子全息為例,，驗證了高維OAM量子全息能夠提高全息圖像加密的安全性這一結(jié)論,。這里,，四個目標(biāo)圖像為字母O、A,、M和H,；四個用于攜帶目標(biāo)圖像信息的OAM疊加態(tài)記為|Se>1、|Se>2,、|Se>3,、和|Se>4。將四個OAM選擇性全息圖復(fù)用在一起得到OAM復(fù)用全息圖,，如圖4(b)所示,。在目標(biāo)圖像的重構(gòu)過程中，將OAM復(fù)用全息圖加載于SLM-B上,，而在SLM-A上加載不同的OAM態(tài)的相位全息圖時,，將會重構(gòu)出不同的實驗結(jié)果。圖4(c)顯示了64種重構(gòu)的實驗結(jié)果,。從這些結(jié)果可以看出,，只有在SLM-A上加載正確的OAM態(tài)的相位全息圖(|Se>1、|Se>2,、|Se>3,、和|Se>4)時，才可以重構(gòu)出字母O,、A,、M和H的圖像(正確的重構(gòu)結(jié)果已用紫色線框標(biāo)出)。
圖4. 高維OAM量子全息提高全息圖像加密的安全性的驗證結(jié)果,。
總結(jié)與展望：
該研究團隊將高維OAM糾纏態(tài)引入到全息成像中,，并實現(xiàn)了高維糾纏量子全息。通過復(fù)用OAM選擇性全息圖,，進一步提出了高容量OAM量子全息編碼方案,，并證明該方案可大大提高全息加密的安全性。該研究成果是光學(xué)全息和信息安全領(lǐng)域的重要進展,，為量子圖像編碼和加密開辟了新途徑,。
論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.053602
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