Обработка и анализ мультиплицированных квантовых и фантомных оптических изображенийНИР

Processing and analysis of multiplexed quantum and ghost optical images

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Обработка и анализ мультиплицированных квантовых и фантомных оптических изображений
Результаты этапа: На основании анализа формирования квантовых фантомных изображений получены следующие результаты, относящиеся к фундаментальным основаниям квантовых вычислений. Детальный расчет дифракционных ограничений пространственного разрешения квантовых фантомных изображений [П1] показал несостоятельность вывода авторов работы [П2], утверждавших нарушение принципа неопределенностей Гейзенберга на основании проведенного ими эксперимента по проверке парадокса К. Поппера. Оказалось, что зарегистрированный ими эффект связан не с сенсационными особенностями квантовых запутанных систем, а с дифракционными эффектами, тщательно нами изученными [П1]. Заложенные нами основы расчета пространственного разрешения фантомных изображений могут применяться и в других схемных решениях формирования фантомных изображений. Независимо от нас аналогичные результаты были получены и другими группами исследователей примерно в то же время [П3, П4]. Это является косвенным подтверждением актуальности решенной нами задачи. В дальнейшем мы планируем постановку и проведение численного эксперимента для окончательного подтверждения полученных нами результатов. Другим важным результатом в области проверки фундаментальных основ квантовых вычислений, является анализ с точки зрения формирования фантомных изображений эксперментов с отложенным выбором и так называемым квантовым ластиком [П5-П7]. По громким утверждениям авторов этих работ, они экспериментально зарегистрировали нарушение принципа причинности к самом сильном смысле этого слова, т.е. влияния последующего события на предыдущее. Не оспаривая принципиальной возможности такого нарушения, нами строго доказано, что в упомянутых схемах отложенного выбора квантового ластика никакого влияния последующего события на предыдущее не существует. Это результат, наряду с незыблемостью принципа неопределенностей Гейзенберга, пресекает спекуляции на эту тему. Построен и исследован алгоритм редукции для обработки мультиплексированных квантовых фантомных изображений, позволяющий использовать информацию о разреженности заданного преобразования распределения прозрачности в дополнение к информации о квантовых корреляциях мультиплицированных изображений. В отличие от известного подхода сжатых измерений, в разработанном методе погрешность измерения моделируется не как произвольный вектор с ограниченной нормой, а как случайный вектор. Дисперсии компонент результата редукции вектора вычисляются, исходя из квантовых корреляций формируемых изображений, и с помощью вычисленных дисперсий определяется, какие компоненты изображения несут информацию, а какие в соответствии с предположением о разреженности должны быть отброшены. Показана возможность восстановления разработанным алгоритмом изображения объекта исследования даже при его освещении небольшим числом фотонов (~1-10 фотонов на пиксель) и влияние на результат редукции преобразования, с помощью которого формализуется информация о разреженности (на примере преобразования Хаара и дискретного вейвлет-преобразования). Продемонстрировано повышение качества обработки по сравнению как с обычными изображениями, так и с немультиплексированными фантомными изображениями. Разработанный алгоритм редукции адаптирован к задаче обработки мультиплексированных параметрически усиленных изображений. В этом случае, как и в предыдущем, при обработке использовалась информация о разреженности заданного преобразования распределения прозрачности в дополнение к информации о квантовых корреляциях мультиплицированных изображений. Показано, как изменение параметров нелинейного кристалла, используемого в параметрическом усилении, влияет на качество результата редукции. [П1] Белинский А. В. О "парадоксе" Карла Поппера и его связи с принципом неопределенностей Гейзенберга и квантовыми фантомными изображениями // Вестник Московского университета. Серия 3: Физика, астрономия. — 2018. — № 5. [П2] Kim Y. H., Shih Y. // Found. of Phys. 1999. 29. P. 12. [П3] Moreau P.-A., Morris P. A., Toninelli E. et al. Experimental Limits of Ghost Diffraction: Popper’s Thought Experiment // Scientific Reports. 2018. Vol. 8, Article number: 13183. [П4] Moreau P.-A., Morris P. A., Toninelli E. et al. Resolution limits of quantum ghost imaging // Optics Express. 2018. Vol. 26, issue 6. P. 7528-7536. [П5] Zeilinger A. A Foundational Principle for Quantum Mechanics // Found Phys. 1999. Vol. 29, issue 4. P. 631-643. [П6] Brukner C., Zeilinger A. Malus' law and quantum information // Acta Physica Slovava. 1999. 49. P. 647. [П7] Brukner C., Zeilinger A. Operationally Invariant Information in Quantum Measurements // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 83. P. 3354.
2 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Обработка и анализ мультиплицированных квантовых и фантомных оптических изображений
Результаты этапа:
3 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Обработка и анализ мультиплицированных квантовых и фантомных оптических изображений
Результаты этапа: Разработана математическая модель формирования пары квантовых изображений, фантомного и обычного, учитывающая дифракцию фотонов и неединичную квантовую эффективность датчиков. На ее основе поставлена и решена задача редукции измерения к виду, свойственному измерениям распределения прозрачностей объекта исследования идеальным датчиком, имеющим максимальную разрешающую способность, при использовании для уменьшения погрешности оценивания информации о разреженности распределения прозрачностей объекта исследования в заданном базисе. В частности, получена общая форма критерия для проверки гипотез о равенстве нулю компонент оценки, используемого в разработанном в проекте варианте метода редукции измеренных фантомных изображений при указанной априорной информации об объекте исследования, в котором используются не только дисперсии компонент оценки, как в полученных ранее вариантах, но и внедиагональные элементы матрицы ковариаций оценки. Среди всех критериев такого вида определен оптимальный критерий, то есть позволяющий достичь минимальное искажение оценки при максимальном улучшении ее качества. Предложена новая схема формирования квантовых фантомных изображений при помощи фотонов, полученных в ходе встречного четырехфотонного взаимодействия. Ее преимущество по сравнению с традиционной схемой, в которой используется трехфотонное параметрическое рассеяние, состоит в ослаблении дифракционных ограничений, накладываемых на разрешение формируемого фантомного изображения. В самом деле, при встречном четырехфотонном взаимодействии диапазон наклонов пучков, для которых выполняется условие генерации, не ограничен условием фазового синхронизма, в отличие от трехфотонного параметрического рассеяния. Поэтому дифракционные ограничения оказываются обусловленными лишь угловыми апертурами оптических элементов схемы. Вместе с тем в кристаллах, подходящих для реализации такого нелинейно-оптического процесса, могут также происходить побочные процессы, связанные с самовоздействием, например, самофокусировка, которые способны ухудшить качество изображения. В связи с этим предложены варианты схемы, позволяющие ослабить или скомпенсировать эти явления.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".