肖连团团队Sci. Adv. | 超关联光源驱动抗噪声关联成像

1550 nm波段的单光子成像技术因兼具低传输损耗和高人体安全性的双重优势，可以突破传统成像系统的光照限制，实现极弱光下的高质量成像，在远程目标识别、安全监测及生物医学成像等领域具有重要应用前景。然而，环境噪声干扰是制约其走向实际应用的核心瓶颈。基于非经典光源光子关联性的关联成像可以在一定程度上实现超越经典方案的抗噪能力与成像质量。但是，现有的非经典光源面临光子关联性弱、关联光子产率低，产生系统复杂等问题，限制了其在极弱光、强噪声等极端场景的成像需求。

针对上述研究瓶颈，肖连团教授团队聚焦新型光源研发与成像技术创新，提出了一种基于脉冲激光泵浦光子晶体光纤的全光纤化超关联光源制备方案。该光源的光子关联性g⁽²⁾(0)最高可达18166，超越同体系方案两个数量级；在每脉冲平均光子数仅为0.00028的条件下，多光子发射概率超越经典光源50个数量级以上；光谱范围为430-1750 nm，具有灵活的多波长可调谐能力，其关键性能指标均达到国际领先水平。基于该光源构建的关联成像系统，展现出极强的抗噪能力。在高达10万倍噪声的极端环境下，系统可实现峰值信噪比为10.28 dB、对比度噪声比为1.58的高质量成像。该工作从光源层面取得了根本性突破，为解决远程、复杂环境下抗噪声成像的业界难题提供了全新的技术路径。此外，超关联光源独特的光子统计特性和宽光谱可调谐能力，也为开发新一代量子随机数发生器及并行扫描量子雷达等应用奠定了坚实基础。

在实验上，表征了超关联光源的光子关联性。如图1所示，超关联光源的二阶强度关联值g⁽²⁾(0)随泵浦功率的增强表现出现先增加后减小的趋势。在特定泵浦功率下，可以得到g⁽²⁾(0)的最大值为18,166，这达到了同类型体系中的最大值。通过调控输出光的每脉冲平均光子数<n>，实现了对不同光子强度下二阶强度关联g⁽²⁾(0)的测量。当每脉冲平均光子数<n>减小时，g⁽²⁾(0)显著增强，这归因于超关联光源的单脉冲中具有极高的多光子发射概率，可以有效抵御外部衰减。此外，研究团队验证了超关联光源的符合计数率和g⁽²⁾(0)值在不同积分时间下具有良好的稳定性。

图1：超关联光源的光子关联性

图源：Science Advances

进一步的，研究团队将超关联光源分为16路，通过16通道超导纳米线单光子探测器和时间相关单光子计数器测量了其光子数概率分布。如图2所示，超关联光源展示出了比相干光和热光更宽的光子数分布范围和更高的多光子发射概率。在每脉冲平均光子数仅为0.00028的条件下，多光子发射概率超越经典光源50个数量级以上

图2：超关联光源的光子数概率分布

图源：Science Advances

研究团队基于超关联光源搭建了抗噪声关联成像系统。研究结果表明，随着噪声强度的增加，常规光子计数成像(PCI)逐渐丧失成像能力。而基于超关联光源的关联符合成像(CCI)，即使在高达10万倍噪声的极端环境下，系统仍可实现峰值信噪比为10.28 dB、对比度噪声比为1.58的高质量成像。

图3：超关联光源的抗噪声关联成像

图源：Science Advances

本工作提出的超关联光源具有强光子关联性、高多光子发射概率和宽光谱可调谐能力，基于该光源构建的抗噪声关联成像系统具有优异的抗噪能力，为极弱光、强噪声环境中的远程目标识别、三维遥感和量子雷达等领域的发展提供了新的技术路径。

Yan, Y., Li, J., Li R. et al. Noise-tolerant correlated coincidence imaging based on supercorrelated light at 1550 nm. Sci Adv (2026).

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb3192