[发明专利]量子波函数成像

说明书

本发明公开了一种利用直接精确测量被衍射粒子的量子波函数来实现物体立体成像的方法，核心是通过比较直接精确测量出的被衍射粒子的量子波函数分布和已知入射粒子的量子波函数分布来实现被测物体的立体成像。该方案相较于传统通过测量衍射强度分布，估计或者计算相位分布来成像，能够直接测量出衍射量子波函数的相位分布，从而获取被测物体更丰富的结构信息，具有成本低，易于调节和实现，并可广泛应用于成像，结构分析，测绘等领域；同时由于使用单粒子源，当被测物体是生物组织时，该方案可极大地降低对生物组织的伤害。

技术领域

本发明涉及成像领域，尤其涉及一种利用直接精确测量被衍射粒子的量子波函数来实现物体立体成像的方法。

背景技术

传统的成像方法通过测量入射粒子，例如：光子、电子、质子、中子等经过被测物体后的衍射分布来获取被测物体的信息。由于被测物体丰富的内部结构信息一般反映在粒子的衍射物场分布(即出射量子波函数)的相位中，而传统测量技术一般只能通过估计或者计算等手段来提取衍射场的相位分布，无法有效精确获取衍射场分布的相位信息，故而无法给出被测物体更多的精确的细节信息。这一“相位问题”是成像领域主要的制约因素，尤其是对于物质的结构分析。

要想获得被测物体更精确的立体结构信息，实现衍射粒子量子波函数的直接精确测量是核心。2011年，J.S.Lundeen等人利用弱测量方法第一次实现了直接测量光子的一维波函数分布(Nature 474,188-191(2011))，这为直接通过测量量子波函数来成像提供了可能。然而，利用弱测量方法来实现量子波函数测量存在如下两个主要问题：第一，为实现光子位置的弱测量，要求系统与指针间的耦合非常小，否则弱测量方法不再适用，这限制了实际的应用；第二，光子波函数的实部与虚部分别由弱测量中的弱值的实部与虚部给出，而弱值是在弱耦合的一级近似下得到的值，只有在近似条件成立的情形下测得的量子波函数才较好的反映实际量子波函数，故而原理上并没有测量出量子波函数的精确分布。

最近，G.Vallone and D.Dequal的理论研究表明，量子波函数的直接测量并不一定要满足弱测量条件，任意强度的测量加上合适指针观测量的测量就能够实现量子波函数的精确测量(PRL 116,040502(2016))。值得强调的是，不同于J.S.Lundeen等人的利用弱测量获取量子波函数方法，G.Vallone and D.Dequal的理论方案在原理上保证了量子波函数的精确测量。

上述实验与理论进展为直接精确测量量子波函数奠定了理论与技术基础，而精确量子波函数的测量则为利用其直接进行物体的立体成像提供了技术保障。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用直接精确测量被衍射粒子的量子波函数来实现物体三维成像的方法，由于物体更多丰富结构信息包含在衍射量子波函数相位中，精确测出衍射量子波函数不仅可以获得粒子衍射场的强度分布，同时能够得到衍射场的相位分布，从而能够提取出物体更丰富的结构信息；此方案适用于任何具有内部自由度的量子客体，可应用于物体三维成像，物质结构分析，高反射体的形状探测等，适用范围广；同时该方案具有成本低，容易实现的优点；此外应用于生物组织成像时，由于采用单粒子源，可极大的降低对生物组织的伤害。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种利用直接精确测量被衍射粒子量子波函数来实现物体三维成像的方法，包括：

对入射单粒子源进行预处理，保证处理后的粒子其用来作为指针的内部自由度处于相同状态。例如，入射粒子是光子则可用偏振分束器(PBS)和半波片(HWP)使得用来成像的光子具有相同的偏振，如果入射粒子是电子、中子等，可使用斯特恩-盖拉赫(Stern-Gerlach)装置使得入射粒子处于相同的自旋态；