Nonlocal wavefront shaping through complex media
本文通过实验演示了利用空间纠缠光子对进行的非局域波前整形，通过对从未与散射介质发生相互作用的光子施加相位校正，来补偿复杂介质中的畸变，从而在物理上将校正过程与光路解耦，并实现紧凑型成像系统。
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想象一下，试图透过一扇厚重且多云的窗户看清图像。当光线穿过这种杂乱的材料时，它会被散射，将清晰的图像变成一片混乱的斑点。对于想要深入观察活体组织或透视多雾工业环境的科学家来说，这是一个重大的障碍。几十年来，标准的解决方案是在光路中、就在混乱发生的地方，放置一面特殊的、可调节的反射镜。这面镜子就像一个校正透镜，通过重塑光波来抵消失真。然而，这种方法有一个严格的限制：反射镜必须物理性地位于杂乱材料的正旁边。在许多现实世界的场景中，例如在微型显微镜内部或密封的机器内部，根本没有空间在需要的地方安装这种校正设备。
研究团队现在展示了一种利用量子物理学中一种奇特属性——纠缠——来解决这一问题的方法。他们证明，通过调节另一束完全没有接触过杂乱材料的光束，就可以修复通过杂乱材料后的光线失真。在实验中，他们创造了成对的光粒子，这些粒子紧密相连，以至于其中一个发生的变化会瞬间影响到另一个，无论它们相隔多远。这对粒子中的一个被送入散射层，而它的伙伴则走过一条清晰、干净的路径。通过仔细塑造这个清晰伙伴的波前，团队能够撤销发生在其伙伴身上的散射现象。这有效地实现了在无需将校正设备置于障碍物附近的条件下，恢复清晰的图像。
研究人员在三种不同的场景下测试了这个想法，涵盖了从简单的失真到极其复杂的散射。首先，他们使用一层薄且有弹性的塑料片来制造轻微的低阶失真。通过对清晰的伙伴应用特定的校正模式，他们成功恢复了两个粒子之间清晰的关联。接着，他们进入了一个光线仅撞击一次的阶段，使用一层蜡纸来模拟单次散射事件。在这里，他们使用计算机算法寻找正确的校正模式，再次成功恢复了丢失的关联。最后，他们模拟了一个更为困难的情况，即光线在物质中多次反弹，就像在厚厚的蜡纸堆中一样。虽然在这种混沌环境下校正效果稍逊，但他们证明了该方法仍然有效，尤其是当他们专注于恢复特定点对之间的关联而非整个图像时。
这项发现之所以意义重大，是因为它在物理上将问题与解决方案分离开来。需要修复的光与修复它的设备不再必须处于同一位置。这为开发比以往更小巧、更通用的成像系统打开了大门。例如，显微镜可以做得足够紧凑以适应狭窄的空间，而复杂的校正机械可以安全地位于设备外部，仅通过量子链路进行连接。虽然目前的技术需要敏感的设备并且需要时间来计算正确的校正方案，但其原理已被证明是行之有效的。研究人员表示，随着摄像机和光源技术的进步，这种非局域性的方法可能会成为穿透此前无法穿透的材料并实现清晰成像的实用工具。
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