让量子成像更灵活：用液晶材料轻松调节

光学信息处理凭借高效和高速并行能力受到广泛关注，在机器视觉、自动驾驶和显微镜等领域需求持续增长，其中光学边缘检测能提取目标精细形态信息，减少数据量，加速后续处理。然而，在光子受限场景（如光敏样品识别）中，微光检测易受环境噪声影响，信噪比极低。量子纠缠源具有非经典相关性，结合高灵敏度相机的heralded单光子成像（通过符合测量）能有效抑制背景和传感器噪声，信噪比远超经典成像，但多数量子成像方案缺乏动态操控纠缠光子的能力，功能固定有限。同时，部分应用（如活体光动力细菌显微镜）需同时获取物体整体形态和精细轮廓。液晶具有分子自组织、多刺激响应和多维光操控等优点，但传统液晶器件局限于经典光操控，利用纠缠光子的非局域性探索液晶在量子成像中的应用仍是挑战。

本研究提出基于偏振纠缠源和多功能液晶（胆甾相、向列相、铁电相）的电可调谐heralded单光子成像方案。成像装置由两层相反手性的胆甾相液晶组成，可实现圆偏振选择性反射模式，用于明场成像或边缘检测。通过偏振Sagnac干涉仪产生偏振纠缠光子，在预警臂中利用向列相液晶波片的电调谐特性选择预警光子的特定偏振，结合符合测量实现三模式（明场、边缘检测及其叠加）量子成像的动态远程切换，且所有基于不同液晶的量子成像方案均能大幅抑制噪声，获得高信噪比。为提高时间效率，利用铁电液晶波片实现超快速双模式切换。

原理上，heralded单光子成像基于Bell态偏振纠缠源，信号光子与闲置光子具有时间关联，ICCD相机仅在闲置光子检测同步的纳秒时间窗口记录信号光子，通过符合测量排除噪声，实现高信噪比。双chiral胆甾相液晶调制器利用螺旋超结构的圆偏振布拉格反射和几何相位调制，对左旋和右旋圆偏振光实现自旋解耦相位调制，分别编码螺旋相位和均匀相位，实现边缘增强和明场成像。通过在闲置臂引入液晶波片和偏振器，动态选择闲置光子偏振态，利用偏振纠缠使信号光子偏振态坍缩，从而远程切换成像模式。

实验中，采用表面引发的洗出/再填充工艺制备双chiral胆甾相成像器件，其光子带隙覆盖810nm，验证了偏振相关的反射通道。通过II型准相位匹配共线自发参量下转换产生偏振纠缠光子对，量子态层析显示其与Bell态的保真度达92.7%。向列相液晶波片在外部电压调控下改变相位延迟，实现三模式成像切换（边缘检测、叠加成像、明场成像），成像信噪比显著高于直接成像。铁电液晶波片通过外加电场极性切换实现波片光轴旋转，切换时间达亚毫秒级（上升沿108μs，下降沿77μs），实现超快速量子成像模式切换。

本研究展示了基于多功能液晶的动态可调谐heralded单光子成像方案，不同液晶相各有优势：胆甾相提供自旋解耦几何相位操控实现多功能成像，向列相实现电调谐多模式切换，铁电相实现超快速切换。该方案在超低光子通量下成像质量优异，能同步提取光子受限场景中物体的不同形态信息，为量子信息处理、智能识别和生物显微术提供了有效动态平台。