单光子通信与成像

单光子通信与成像

研究背景及应用前景

量子信息科学利用量子物理的特殊性质为信息处理技术带来革新，光子作为光量子性的体现，是光能被检测到的最小能量单元。在微弱光场景中，常规的光电探测依赖于对光强的线性积分，受限于灵敏度，通常是失效的，而单光子探测仍然能高效地检测光子以还原出目标的特征。单光子成像、光谱、深空通信是目前单光子探测技术发展的重要方向。实现高性能单光子探测技术在于联合开发高性能的单光子探测芯片以及后端处理算法。在探测维度上，单光子技术正从单一的时间-空间域，向涵盖光谱、偏振等多维信息融合的方向发展，从而催生了量子成像、单光子高动态成像及单光子光谱等前沿研究方向。

单光子极弱光成像直接挑战了传统成像的灵敏度极限。在生物荧光显微、夜视及量子传感等领域，在探测微弱信号的同时通常还要面对很强的背景噪声，单光子成像器件的核心优势在于其极高的探测效率和抗背景声能力。目前，我们通过设计新型器件结构以及抗背景噪声算法，已经实现了单光子弱光成像的性能提升。

图注：单光子弱光成像应用[Nat. Photon. 17, 65–72 (2023). ]

单光子高动态成像旨在解决极亮与极暗场景时出现的信号饱和或丢失问题。无论是自动驾驶中突遇的强光眩光，还是天文观测中行星与其明亮恒星的巨大亮度差异，传统成像器的有限动态范围都导致信息丢失。为了突破这一瓶颈，我们基于光子数分辨单光子探测器结合高通量估计算法，实现了高动态范围响应的单光子探测，并在高动态成像、被动热成像、主被动融合场景展示了其应用前景。

图注:超宽动态范围单光子成像演示[Laser & Photonics Reviews]

单光子光谱成像更进一步，将探测灵敏度从空间强度分布延伸至光谱域。单光子高分辨光谱仪旨在解决传统光谱仪在极弱光环境下检测灵敏度与分辨率受限的问题。例如，在量子光学研究中测量单光子水平量子光源的光谱时，传统光谱仪因缺乏高灵敏度单光子探测器阵列，难以实现单光子级分辨率；同时，荧光寿命成像、量子纠缠测量等领域对时间分辨光谱的需求也日益增长。

图注:单光子光谱成像[Nano Lett. 2021, 21, 22, 9625–9632]

在极端的深空通信场景中，超导纳米线单光子探测凭其优异的性能（低时间抖动，高计数率，高探测效率）已经在多项太空任务与实验中被选用为探测器。我们利用四象限SNSPD光子数分辨和高计数率优势，实现了高速激光通信，最大通信速度达1.5 Gbps。并进一步地将其和LEO立方体卫星结合用于外场地面通信。

图注：基于LEO立方体卫星的演示[Optics Express]

研究内容

本课题现基于高性能的超导单光子探测器，面向不同的极端应用场景，重点开展以下方向：

· 动态单光子成像与跟踪

· 超导单光子光谱及其应用

· 单光子极限通信

图注：超导光子数分辨探测器[ Light Sci Appl 13, 25 (2024).]

招生导向

我们欢迎对单光子成像、单光子光谱、生物单光子应用、单光子通信等方向有兴趣的同学加入。课题组提供完整的微纳加工、测试以及应用平台，以及充足的机会在国际前沿学术会议上交流，共同探索下一代量子信息技术。

内容更新人员：茹赛颖、杨帆、聂宇