論文の概要: Quantum Phase Gradient Imaging Using a Nonlocal Metasurface System
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2511.09922v2
- Date: Sat, 15 Nov 2025 03:45:09 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-11-18 14:36:22.478138
- Title: Quantum Phase Gradient Imaging Using a Nonlocal Metasurface System
- Title（参考訳）: 非局所的準曲面を用いた量子位相勾配イメージング
- Authors: Jinliang Ren, Jinyong Ma, Katsuya Tanaka, Lukas Wesemann, Ann Roberts, Frank Setzpfandt, Andrey A. Sukhorukov,
- Abstract要約: 量子位相イメージングは、厚さと屈折率の変動のある透明な試料の分析を可能にする。
非線形準曲面の最近の進歩は、量子光の生成と操作のためのコンパクトな解を提供する。
光子対を生成するためのリチウムニオブ酸リチウム(LiNbO3)と、位相勾配抽出のためのシリコン(Si)とを組み合わせた小型量子位相イメージングシステムを提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Quantum phase imaging enables the analysis of transparent samples with thickness and refractive index variations in scenarios requiring precise measurements under low-light conditions. Recent advances in nonlinear metasurfaces offer compact solutions for quantum light generation and manipulation. Here, we present a compact quantum phase imaging system integrating a lithium niobate (LiNbO3) metasurface for generating spatially entangled photon pairs and a silicon (Si) metasurface for phase gradient extraction. The LiNbO3 metasurface enables efficient spontaneous parametric down-conversion (SPDC) with angularly dispersed, tunable emission, while the Si metasurface employs a nearly linear optical transfer function (OTF) to differentiate phase and extract phase gradients via spatial quantum correlations. This dual-metasurface enabled combined ghost imaging and all-optical scanning protocols with quantum light achieves phase gradient reconstruction without mechanical tuning. Experimental results demonstrate the system's ability to resolve phase gradients up to 25 rad/mm with 88% fidelity using a 6x3-pixel proof-of-concept setup. In addition, theoretically, it is confirmed that the resolution of the system is primarily limited by the quality factor of the compact design, leveraging nonlocal resonances and quantum correlations, establishes a new paradigm for portable quantum phase-gradient imaging, with potential applications in sensing, microscopy, and LiDAR. This work highlights the application of metasurface in both generating and detecting quantum states.
- Abstract（参考訳）: 量子位相イメージングは、低照度条件下での正確な測定を必要とするシナリオにおいて、厚さと屈折率の変動のある透明な試料の分析を可能にする。
非線形準曲面の最近の進歩は、量子光の生成と操作のためのコンパクトな解を提供する。
本稿では,光子対を生成するリチウムニオブ酸リチウム(LiNbO3)と,位相勾配抽出のためのシリコン(Si)を集積した小型量子位相イメージングシステムを提案する。
LiNbO3 の準曲面は、角に分散したチューニング可能な放射を持つ効率的な自然パラメトリックダウンコンバージョン(SPDC)を可能にし、Si の準曲面は、位相を区別し、空間量子相関を通じて位相勾配を抽出するために、ほぼ線形光伝達関数(OTF)を用いる。
この二面体はゴーストイメージングと全光学走査プロトコルを量子光で組み合わせることで、機械的なチューニングなしに位相勾配の再構成を実現する。
実験結果は、6x3ピクセルの概念実証装置を用いて、25 rad/mmまでの位相勾配を88%の忠実度で解くことができることを示した。
さらに, 理論上は, 非局所共鳴と量子相関を利用して, コンパクト設計の品質因子によって, システム分解能が主に制限されることが確認され, センサ, 顕微鏡, LiDARに応用可能な, 可搬型量子位相勾配イメージングの新たなパラダイムが確立された。
この研究は、量子状態の生成と検出の両方における準曲面の適用を強調している。
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