类型a
主要作者与机构及发表信息
本研究的主要作者包括B. Jack、J. Leach、J. Romero、S. Franke-Arnold、M. Ritsch-Marte、S.M. Barnett和M.J. Padgett。他们分别隶属于英国格拉斯哥大学物理与天文学系（SUPA）、奥地利因斯布鲁克医科大学生物医学物理分部以及英国斯特拉斯克莱德大学物理系（SUPA）。该研究于2009年5月11日收到，并于2009年8月20日发表在《Physical Review Letters》期刊上。
学术背景
本研究属于量子光学领域，旨在探索“鬼成像”（ghost imaging）的量子特性及其与经典成像方法的区别。鬼成像是基于光子对之间的量子关联现象提出的一种成像技术，最初用于说明自发参量下转换（spontaneous parametric down-conversion, SPDC）中产生的光子对的量子关联性。自十多年前首次观察到这一现象以来，关于鬼成像是否仅为量子现象一直存在争议。近年来，研究者们尝试通过贝尔不等式（Bell inequality）的违反来揭示其量子本质。此外，螺旋相位模式（helically-phased modes）及其相关的轨道角动量（orbital angular momentum, OAM）为研究提供了新的方向。本研究的目标是通过引入非局域相位滤波器（nonlocal phase filters）增强鬼成像中的图像对比度，并通过贝尔不等式的违反明确揭示其量子性质。
详细工作流程
本研究主要包括以下步骤：
实验系统设计与设备搭建
实验系统基于一个模式锁定（mode-locked）的355 nm泵浦光源，该光源被弱聚焦到一块3 mm长的BBO晶体中，用于生成非共线型退化I类参量下转换光子对。信号光（signal）和闲置光（idler）光束在离开晶体后具有4°的半角分离。信号臂中包含一个相位物体（phase object），而闲置臂中包含一个相位滤波器（phase filter）。两臂均使用空间光调制器（SLMs, Hamamatsu）实现相位物体和滤波器的功能，并通过2 nm宽带通滤波器将光束重新成像到单模光纤的输入端面。光纤连接至单光子计数模块（Perkin Elmer），输出信号被送入符合计数器（National Instruments）。
样品处理与数据采集
相位物体在横向平面上逐步移动，每次移动后记录相应的符合计数（coincidence count）。实验中使用的相位物体包括均匀相位区域和π相位阶跃（phase step）。为了测试贝尔不等式，研究者还使用了圆形相位物体，并以π相位阶跃作为参考全息图。
数据分析方法
数据分析的核心在于计算符合计数率随参考相位阶跃角度的变化。研究者通过测量不同相对角度（θa - θb）下的符合计数率，计算出贝尔参数S的值，并验证是否违反贝尔不等式。具体公式包括符合计数率C的预测模型（C = kcos²(θa - θb)）以及贝尔参数S的计算公式（S = E(θa, θb) - E(θa, θb’) + E(θa’, θb) + E(θa’, θb’)）。
主要结果
1. 边缘增强图像的生成
研究发现，当参考臂中使用螺旋相位滤波器时，可以显著增强鬼成像中的边缘对比度。例如，使用‘ref = 0的相位滤波器可以在均匀相位区域产生高符合计数，而在边缘处符合计数为零；而使用‘ref = ±1的相位滤波器则仅在相位阶跃位置产生高符合计数，从而形成明亮的边缘。
贝尔不等式的违反
通过对圆形相位物体的成像实验，研究者记录了不同参考全息图角度（0°、45°、90°、135°）下的符合计数率变化。数据分析表明，贝尔参数S的值为2.69 ± 0.10，明显超过了局部隐变量理论的上限2，证明了鬼成像系统的量子本质。
高对比度图像的实现
单模探测器的使用使得图像无需背景扣除即可获得高对比度。研究还指出，类似的图像可以通过非纠缠光源生成，但其对比度不足以违反贝尔不等式。
结论与意义
本研究通过引入非局域相位滤波器成功实现了鬼成像中的边缘增强效果，并通过贝尔不等式的违反明确揭示了其量子特性。这不仅加深了对鬼成像量子本质的理解，也为未来量子成像技术的发展提供了重要参考。研究成果在量子光学、量子信息处理以及显微成像等领域具有潜在应用价值。
研究亮点
1. 首次将贝尔不等式应用于鬼成像分析，明确揭示了其量子本质。
2. 提出了通过非局域相位滤波器增强图像对比度的新方法。
3. 使用单模探测器实现了无需背景扣除的高对比度图像。
其他有价值内容
研究还探讨了使用经典热光源生成类似图像的可能性，但指出其对比度不足以违反贝尔不等式，从而进一步强调了量子光源在鬼成像中的独特优势。