[發(fā)明專利]量子波函數成像

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201710306045.5
• 申請日: 2017-05-03
• 公開（公告）號: CN108168716A
• 公開（公告）日: 2018-06-15
• 發(fā)明（設計）人: 胡孟軍;張永生;胡曉敏
• 申請（專利權）人: 胡孟軍;張永生;胡曉敏
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00;G01J4/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種利用直接精確測量被衍射粒子的量子波函數來實現物體立體成像的方法，核心是通過比較直接精確測量出的被衍射粒子的量子波函數分布和已知入射粒子的量子波函數分布來實現被測物體的立體成像。該方案相較于傳統(tǒng)通過測量衍射強度分布，估計或者計算相位分布來成像，能夠直接測量出衍射量子波函數的相位分布，從而獲取被測物體更豐富的結構信息，具有成本低，易于調節(jié)和實現，并可廣泛應用于成像，結構分析，測繪等領域；同時由于使用單粒子源，當被測物體是生物組織時，該方案可極大地降低對生物組織的傷害。

技術領域

本發(fā)明涉及成像領域，尤其涉及一種利用直接精確測量被衍射粒子的量子波函數來實現物體立體成像的方法。

背景技術

傳統(tǒng)的成像方法通過測量入射粒子，例如：光子、電子、質子、中子等經過被測物體后的衍射分布來獲取被測物體的信息。由于被測物體豐富的內部結構信息一般反映在粒子的衍射物場分布(即出射量子波函數)的相位中，而傳統(tǒng)測量技術一般只能通過估計或者計算等手段來提取衍射場的相位分布，無法有效精確獲取衍射場分布的相位信息，故而無法給出被測物體更多的精確的細節(jié)信息。這一“相位問題”是成像領域主要的制約因素，尤其是對于物質的結構分析。

要想獲得被測物體更精確的立體結構信息，實現衍射粒子量子波函數的直接精確測量是核心。2011年，J.S.Lundeen等人利用弱測量方法第一次實現了直接測量光子的一維波函數分布(Nature 474,188-191(2011))，這為直接通過測量量子波函數來成像提供了可能。然而，利用弱測量方法來實現量子波函數測量存在如下兩個主要問題：第一，為實現光子位置的弱測量，要求系統(tǒng)與指針間的耦合非常小，否則弱測量方法不再適用，這限制了實際的應用；第二，光子波函數的實部與虛部分別由弱測量中的弱值的實部與虛部給出，而弱值是在弱耦合的一級近似下得到的值，只有在近似條件成立的情形下測得的量子波函數才較好的反映實際量子波函數，故而原理上并沒有測量出量子波函數的精確分布。

最近，G.Vallone and D.Dequal的理論研究表明，量子波函數的直接測量并不一定要滿足弱測量條件，任意強度的測量加上合適指針觀測量的測量就能夠實現量子波函數的精確測量(PRL 116,040502(2016))。值得強調的是，不同于J.S.Lundeen等人的利用弱測量獲取量子波函數方法，G.Vallone and D.Dequal的理論方案在原理上保證了量子波函數的精確測量。

上述實驗與理論進展為直接精確測量量子波函數奠定了理論與技術基礎，而精確量子波函數的測量則為利用其直接進行物體的立體成像提供了技術保障。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種利用直接精確測量被衍射粒子的量子波函數來實現物體三維成像的方法，由于物體更多豐富結構信息包含在衍射量子波函數相位中，精確測出衍射量子波函數不僅可以獲得粒子衍射場的強度分布，同時能夠得到衍射場的相位分布，從而能夠提取出物體更豐富的結構信息；此方案適用于任何具有內部自由度的量子客體，可應用于物體三維成像，物質結構分析，高反射體的形狀探測等，適用范圍廣；同時該方案具有成本低，容易實現的優(yōu)點；此外應用于生物組織成像時，由于采用單粒子源，可極大的降低對生物組織的傷害。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種利用直接精確測量被衍射粒子量子波函數來實現物體三維成像的方法，包括：

對入射單粒子源進行預處理，保證處理后的粒子其用來作為指針的內部自由度處于相同狀態(tài)。例如，入射粒子是光子則可用偏振分束器(PBS)和半波片(HWP)使得用來成像的光子具有相同的偏振，如果入射粒子是電子、中子等，可使用斯特恩-蓋拉赫(Stern-Gerlach)裝置使得入射粒子處于相同的自旋態(tài)；