Obrazowanie kwantowe

• Autorzy: Romaniuk Ryszard S.

Identyfikatory

DOI

10.15199/13.2023.1.1

Warianty tytułu

EN

Quantum Imaging

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Informacyjne techniki kwantowe obejmują obok komputingu kwantowego także obrazowanie kwantowe (OK). Obrazowanie kwantowe jest jednocześnie fragmentem optyki kwantowej. Podobnie do obrazowania klasycznego, obrazowanie kwantowe jest procesem który zawiera warstwę sprzętową, po stronie nadawczej i odbiorczej, i warstwę programistyczną, jak akwizycji obrazu, czyli np. oświetlenia/prześwietlenia lub nie obiektu, identyfikacji scenerii, detekcji odpowiedniego fragmentu sceny, zapisu danych, transmisji danych, przetwarzania. Większość z tych elementów procesu obrazowania może mieć charakter kwantowy. Jeśli scena jest oświetlona to światło może być nieklasyczne kwantowe, sub-Poissonowskie. Scenę można oświetlać także deterministycznymi pojedynczymi fotonami lub parą fotonów splątanych z zastosowaniem techniki fotonu zwiastowanego. Po stronie odbiorczej w obrazowaniu kwantowym można stosować fotodetektory i kamery jednofotonowe. Kwantowe dwufotonowe obrazowanie koincydencyjne tworzy obraz przez łączenie informacji z dwóch detektorów: wysokorozdzielczej matrycy CCD nie obserwującej obiektu i jednopikselowego detektora obserwującego obiekt. Para splątanych fotonów jest detekowana przez oba detektory jednocześnie. Jeden foton z pary, sygnałowy, pada na obiekt, oddziałuje z nim, i następnie jest rejestrowany przez detektor jednopikselowy. Drugi foton pary, zwiastowany, podąża inną drogą optyczną do detektora CCD. Klasyczna metoda obrazowania koincydencyjnego używa skorelowanych wiązek koherentnych bez wykorzystania splątania fotonów. Korelacyjne obrazowanie kwantowe redukuje SNR. W kwantowym obrazowaniu fluorescencyjnym, a także z zastosowaniem fali materialnej de Broglie np. z atomami He, możliwe jest obejście klasycznego ograniczenia Rayleigha-Abbego rozdzielczości obrazu optycznego tylko do 200 nm. Osiągane rozdzielczości obrazowania kwantowego są na poziomie pojedynczych nm.

EN

Quantum information techniques include, aside from quantum computing, also quantum imaging (QI). Quantum imaging is also a part of quantum optics. Similar to classical imaging, quantum imaging is a process that includes a hardware layer, on the transmitting and receiving side, and programmatic layer like: image acquisition, i.e. lighting/trans illumination of an object, identification of the scenery, detection of the appropriate part of the scene, data recording, data transmission, processing. Most of these elements of the imaging process can be quantum in nature. If the stage is lit, the light may be non-classical quantum, sub-Poissonian. The scene can also be illuminated with deterministic single photons or a pair of entangled photons using the heralded photon technique. On the receiving side, in quantum imaging, photodetectors and single-photon cameras can be used. Quantum two-photon coincidence imaging (ghost imaging) creates an image by combining information from two detectors: a high-resolution CCD not observing the object and one-pixel detector that observes the object. A pair of entangled photons is detected by both detectors simultaneously. One photon from the pair, the signal photon, falls on the object and is then registered by a one-pixel detector. The second photon of the pair, heralded, follows a different optical path to the CCD detector. The classical method of coincidence imaging uses correlated coherent beams without the use of photon entanglement. Correlational quantum imaging reduces the SNR. In quantum fluorescence imaging, as well as using de Broglie material waves with Helium atoms, it is possible to circumvent the classic Rayleigh-Abbe limitation of the optical image resolution to 200 nm. The obtainable resolutions of quantum imaging reach the level of single nm.

Słowa kluczowe

PL

obrazowanie kwantowe; informacyjne techniki kwantowe; optyka kwantowa; limit Abbego

EN

quantum imaging; information quantum technologies; quantum optics; Abbe resolution limit

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 64, Nr 1
• Strony: 15--24
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz.

Twórcy

autor

Romaniuk Ryszard S.

• Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

Bibliografia

• [1] Xi-Wei Yao, eat al., 2018, Quantum image processing and its application to edge detection: theory and experiment, arX- iv:1801.01465.
• [2] S.E.Venegas-Andraca et al., 2003, Storing, processing and retrieving an image using quantum mechanics, Proc.SPIE 5105, 137.
• [3] J.L.Latorre, 2005, Image compression and entanglement, arX- iv:0510031.
• [4] S.E.Venegas-Andraca, et al., 2010, Processing images in entangled quantum systems, QIP 9, 1.
• [5] P.Le, et al., 2011, A flexible representation of quantum images for polynomial preparation, image compression and processing operations, QIP 10, 63.
• [6] Y.Zhang et al., 2013, A novel enhanced quantum representation of digital images, QIP 12, 2833.
• [7] Yi Zhang, et al., 2013, A novel quantum representation for log-polar images, QIP 12, 3103.
• [8] Qiskit.org, 2022, Quantum image processing - FRQI and NEQR image representations.
• [9] Hai-Sheng Li, et al, 2014, Multidimensional color image storage, retrieval, and compression based on quantum amplitudes and phases, IS 273, 212.
• [10] S.Caraiman, et al., 2012, Image processing using quantum computing. 16th Conference on System Theory, Control and Computing (ICSTCC), pp. 1-6.
• [11] B.Sun, et al., 2013, An RGB multi-channel representation for images on quantum computers, JACII 17, 404.
• [12] J.Sang, et al., 2017, A novel quantum representation of color digital images, QIP 16, 14.
• [13] Jie Su, et al., 2021, An improved novel quantum image rep- resentation and its experimental test on IBM quantum experience, Nature ature SR 11:13879.
• [14] L.Wang, et al., 2019, QRCI: A new quantum representation model of color digital images, OC 438, 147.
• [15] N.Nasr, et al., 2021, Efficient representation of digital images on quantum computers, Multimedia Tools and Applications 80, 34019.
• [16] Hai-Hua Zhu, etal., 2022, Image preparation of multimodequantum image representation and their application on quantum image reproduction, Optik - ijleo 251, 168321.
• [17] A.M.Grigorian, et al., 2020, New look on quantum representation of images: fourier transform representation, QIP 19(5).
• [18] L.Wang, et al., 2020, Double quantum color images encryption scheme based on DQRCI, Multimed Tools Appl 79(9-10) 6661.
• [19] Phuc Q.Le, et al., 2011, Strategies for designing geometric transformations on quantum images, TCS 412, 1406.
• [20] Ri-Gui Zhou, et al, 2017, Global and local translation design of quantum image based on FRQI, IJTP 56, 1382.
• [21] Ping Fan et al, 2019, Quantum image edge extraction based on laplacial operator and zero-cross method, QIP 18(1) 1-23.
• [22] A.Anand, et al, 2022, Quantum image processing, arX- iv:2203.01831.
• [23] I.Cong et al., 2019, Quantum convolutional neural networks, NP 15(12) 1273.
• [24] A.Furusawa, et al., 1998, Unconditional quantum teleportation, Science 282, 706.
• [25] N.C.Menicucci, et al., 2008, One-way quantum computing in the optical frequency comb, arXiv:0804.4468.
• [26] H.Sakuma, et al., 2017, Dressed photons in a new paradigm of off-shelf quantum fields, PQE 55 74.
• [27] H.Shi, et al., 2022, Noise-tolerant Bessel-beam single-photon imaging in fog, OE 30(7) 12061.
• [28] K.Wang et al., 2022, Metasurfaces for quantum technologies, Physics Today 75(8) 38.
• [29] P.Tonkayev, Y.Kivshar, 2022, All-dielectric resonant metaphotonics, OM Express 12(7) 2879.
• [30] U.Durig, etal, 1986 ,Near-field optical-scanning microscopy,JAP 59 (10), 3318.
• [31] M.I.Kolobov, (ed.), 2006, Quantum Imaging, Springer.
• [32] A.D.Bandrauk, M.Ivanov, ed., 2011, Quantum dynamic imaging, Springer.
• [33] D.S.Simon, et al., 2017, Quantum metrology, imaging and communication, Springer.
• [34] P.A.Moreau, et al, 2019, Imaging with quantum states of light, arXiv:1908.03034.
• [35] A.Elarby, 2022, Quantum medical images processing foundations and applications, IET QC, doi:10.1049/qtc2.12049.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).