你一定听过“盲人摸象”的故事：几位盲人分别触摸大象的不同部位，有的摸到鼻子，以为大象像蛇；有的摸到腿，以为大象像柱子。

在盲人摸象的故事中，盲人只能通过触摸感知到物体的局部信息，无法获得大象的整体轮廓。那么，有没有一种方法，可以在不直接看到物体的情况下，依然能够重建出它的完整图像呢？这就是鬼成像 (Ghost Imaging) 的奇妙之处。

假设我们用鬼成像的方法拍摄大象，总共需要几步？

1. 将光分为两束，一束光照射物体 (大象)，用没有空间分辨率的“桶探测器”来记录光的总强度。
2. 另一束光直接进入相机，但它没有经过物体 (大象)。
3. 通过计算这两束光的强度关联，我们可以重建物体 (大象) 图像。

鬼成像的突出特性是能够“离物成像”：

日常生活中的普通成像是光经过物体后由相机或探测器接收并记录图像。鬼成像把光分成两路，一路经过物体后用没有空间分辨率的“桶探测器”收集，另一路不与物体接触，直接用一个能记录光细节的探测器接收。两路测量结果再经关联计算重构出物体图像。这两路结果中的任一路都无法单独重构图像，只有关联后才能得到正确结果。

这种现象让人们觉得不可思议，感觉似乎有幽灵出没，因此得名“鬼成像”，又被称为关联成像 (Correlated Imaging)。

鬼成像基本原理

鬼成像的思想起源于自发参量下转换 (SPDC) 光子对的纠缠行为。Pittman等[1]于1995年首次完成了在不包含物体的光路上获得待测物体图像的实验，证实了量子鬼成像的非局域性，此时鬼成像技术被认为是一种量子关联特性。

但是，Bennink等[2]于2002年首次使用经典光源实现鬼成像实验，说明了鬼成像的实现过程并不一定需要纠缠光源，经典光源同样也可以实现鬼成像。

鬼成像的基本原理如下图所示 (这里展示的是基于纠缠光子对的鬼成像)，它的过程简述如下：

1. 激光泵浦非线性晶体 (如BBO晶体)，通过SPDC将单个泵浦光子转换为一对纠缠光子，一路称为“信号光子”，另一路称为“闲置光子”。
2. 有两个探测器：物体所在一路的探测器，没有空间分辨能力，仅能测量通过物体的总光强 (或光子总数)，这就类似水桶装水，只计总量，不关心水滴位置，所以称为“桶探测器”；另一路的探测器具有空间分辨能力，如CCD或单光子相机。
3. 信号光子照射物体后被“桶探测器”接收 (信号光路)，闲置光子直接传输至空间分辨探测器 (参考光路)。
4. 仅当信号光子与闲置光子在同一时间窗口内被探测到时 (符合计数)，记录闲置光子的位置。统计所有符合事件中闲置光子的位置分布，累积结果即为物体的图像。

我们将鬼成像的特点总结如下：

• 非局域成像：无需直接探测物体反射/透射光，而是通过信号光路 (无空间分辨) 与参考光路 (高空间分辨) 的强度关联重建图像。
• 抗干扰性强：即使信号光路处于湍流、散射等干扰环境，只要参考光路保持稳定，也可通过关联计算消除噪声干扰。
• 突破传统分辨率限制：经典鬼成像利用光场涨落特性，量子鬼成像通过纠缠光子对，可能实现超衍射极限分辨率。
• 大幅降低探测器成本：仅需“桶探测器”接收信号光总强度，配合参考光路空间信息，可大幅降低探测器成本 (尤其在红外、太赫兹波段)。
• 计算成像特性：关联计算从海量数据中提取图像，适合弱光环境和高维信息重建。

鬼成像的独特优势使其在生命科学、物质科学、雷达探测、光学加密等领域具有广阔的应用前景。

△鬼成像军事应用示意图

实验示例：双缝鬼成像

双缝干涉在光学中占据着非常重要的地位，当两束光波相遇时会产生干涉。双缝仅包含两个透光区域，成像目标清晰，便于通过关联计算来重建双缝位置，因此作为鬼成像的一个典型案例。

传统双缝实验直接观测干涉条纹 (波动性)，它的图像是由直接经过物体的光子形成的；而鬼成像双缝实验通过测量未经过物体的光子 (闲置光子)，间接重建双缝位置，反映出哪些光子经过了物体，体现了粒子的路径信息。

如下图所示，在双缝关联成像实验中，物体 (即双缝) 放置于无空间分辨能力的物臂上，参考臂一端利用光纤在垂直于双缝方向进行一维扫描。由于SPDC过程产生的光子具有关联性，因此在参考臂通过光子符合可以重现双缝，从而估算出双缝间距。

△双缝关联成像实验示意图[3]

鬼成像的早期实验通常依赖大型光学平台，而现在，只需要一台桌面级量子关联成像系统就能重现这一奇妙现象。

九章量子推出的量子关联成像系统采用紧凑型设计 (450 × 270 × 150 mm³)，集成高亮度光源，提供充足光子计数，确保实验信号稳定可靠。同时系统配备低暗计数、高探测效率 (>65%) 的探测器，有效提升数据质量。实验现象清晰可见，双缝测量误差低于5%。

△九章量子关联成像系统

△实验结果

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参考文献：

[1] Pittman, T. B., Shih, Y. H., Strekalov, D. V., & Sergienko, A. V. (1995). Optical imaging by means of two-photon quantum entanglement. Physical Review A, 52(5), R3429.

[2] Bennink, R. S., Bentley, S. J., & Boyd, R. W. (2002). “Two-photon” coincidence imaging with a classical source. Physical review letters, 89(11), 113601.

[3] 杨青, 夏慧枝 & 陈凯.(2015).基于关联光子对的双缝量子成像实验. 物理实验(03), 37-39.