Квантовая обработка изображе­ний

КВАНТОВАЯ ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ, использует достижения квантовой оптики, которые позволяют управлять пространственным распределением квантовых флуктуаций света в поперечном сечении светового пучка и уменьшать их ниже уровня дробового шума. Это снижение квантовых флуктуаций в пространстве позволяет улучшить качество обработки оптических изображений.

Оптические изображения создаются, считываются и переносятся с помощью распределённых в пространстве световых полей. Предельная точность этих операций определяется квантовыми флуктуациями света. Лазерными методами и методами нелинейной оптики получены неклассические световые поля, флуктуации которых, проявляющиеся в процессе наблюдения, меньше пределов, установленных классической физикой. Соотношения неопределённостей не допускают существования полей, в которых подавлены квантовые флуктуации всех физических параметров, но позволяют уменьшать флуктуации наблюдаемых в эксперименте параметров за счёт не важных в данном наблюдении (и при этом не коммутирующих с наблюдаемыми).

Основные виды неклассических световых полей - это так называемые бифотоны спонтанного параметрического рассеяния, поля в сжатом состоянии и перепутанном состоянии (смотри Квантовые состояния) и поля с субпуассоновской статистикой фотонов (смотри Квантовая оптика, Статистика фотоотсчётов), которые особенно интенсивно изучаются с середины 1980-х годов.

На ранних этапах исследований в основном изучалось поведение квантовых флуктуаций неклассических полей с простой пространственной структурой (одна пространственная мода). С конца 20 - начала 21 века разрабатываются методы получения пространственно многомодовых световых полей, в которых квантовые флуктуации подавлены не только во времени, но и в поперечном сечении волны. Исследуется нелинейное смешение световых волн в поперечно протяжённых нелинейных кристаллах как в свободном пространстве (при одном проходе излучения), так и в широкоапертурных оптических резонаторах. Изучается возможность синтеза пространственно многомодового неклассического света путём оптического смешения одномодовых световых потоков в неклассическом состоянии. На этой основе предложены различные способы квантовой обработки изображений. Можно создавать световые потоки с более равномерным, чем случайное, распределением фотонов в сечении пучка. Изображение, записанное с помощью такого света на матрице фотоприёмников с высокой квантовой эффективностью, не будет иметь пространственных дробовых шумов. Это актуально при наблюдении прозрачных объектов, имеющих предельно малую контрастность. Можно считывать с высокой точностью распределения набега фазы в протяжённых прозрачных объектах (эллипсометрия с пространственным разрешением), подавлять квантовые флуктуации наблюдения в микроскопии (квантовое сверхразрешение). К квантовой обработке изображений относится и фантомное детектирование изображений - восстановление изображения-транспаранта, помещённого в световой поток, при детектировании другого светового потока, который коррелирован с первым на квантовом уровне, но может иметь отличающиеся физические характеристики, например другую несущую частоту (цвет). Методы квантовой обработки изображений позволяют с высокой точностью измерять микроскопические поперечные смещения лазерного луча.

Подходы квантовой обработки изображений могут быть применены и в квантовой информации (смотри Квантовая теория информации), в которой появляются новые возможности благодаря присущему оптике параллелизму обработки оптического изображения. Эта особенность квантовой обработки изображений позволяет существенно увеличить информационную ёмкость некоторых квантово-информационных протоколов, таких, например, как квантовая телепортация и квантовое плотное кодирование. Квантовую телепортацию можно рассматривать как предельный случай голографического восстановления волнового фронта без добавления квантовых шумов, что недостижимо в классической голографии.

Лит.: Клышко Д. Н. Фотоны и нелинейная оптика. М., 1980; Скалли М. О., Зубайри М. С. Квантовая оптика. М., 2003; Quantum imaging / Ed. М. I. Kolobov. N. Y., 2007.