《SCIENCE ADVANCES》：Advancing quantum imaging: Electrical tunability enabled by versatile liquid crystals
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本研究针对现有量子成像方案缺乏动态调控能力的问题，开发了基于偏振纠缠光源和多功能液晶（LC）的电控可调谐预示单光子成像平台。通过双螺旋胆甾相液晶（CLC）器件实现高信噪比（SNR）的明场成像和边缘检测，利用向列相液晶（NLC）和铁电液晶（FLC）波片实现三模式远程切换和亚毫秒级超快调控。该工作为光子受限场景提供了独特的成像解决方案，揭示了软物质在量子信息处理中的巨大潜力。
在生物显微镜、机器视觉等光子受限场景中，对光敏感样本的识别往往需要在极弱光照下进行。传统光学成像技术在此类条件下易受环境噪声干扰，导致信噪比（SNR）急剧下降。量子纠缠光源因其非经典关联特性，为突破这一瓶颈提供了新思路。特别是预示单光子成像技术，通过符合测量可显著抑制背景噪声，实现远超经典极限的成像质量。然而，现有量子成像方案大多功能单一，缺乏对纠缠光子的动态操控能力，难以满足实际应用中对多模态成像的实时切换需求。
为解决这一挑战，发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究团队创新性地将多功能液晶（LC）引入量子成像领域，构建了电控可调谐的预示单光子成像平台。该工作的核心是利用液晶材料独特的光学各向异性、分子自组织和外场响应特性，实现对量子态的非局域、动态操控。
研究人员开展的研究主要依托几个关键技术方法：首先，利用偏振Sagnac干涉仪和周期性极化KTiOPO4（PPKTP）晶体产生810纳米波长的偏振纠缠光子对（贝尔态）；其次，采用表面引发洗脱/再填充工艺制备了双螺旋胆甾相液晶（CLC）成像器件，该器件能在左旋圆偏振（LCP）和右旋圆偏振（RCP）通道下分别实现明场成像和基于螺旋相位对比的边缘检测；最后，在预示臂中分别引入向列相液晶（NLC）波片和铁电液晶（FLC）波片，结合偏振器，通过外电压调节相位延迟（ΔΓ）或等效波片取向角（θ），非局域地选择成像模式。成像结果由增强型电荷耦合器件（ICCD）相机在符合测量模式下采集。
Principle of electrically tunable heralded single-photon imaging
研究团队推导了基于偏振纠缠源和双螺旋CLC器件的预示单光子成像原理。纠缠光子对处于贝尔态，信号光子和闲频光子之间存在强时间关联。ICCD相机仅在闲频光子被探测到的纳秒时间窗内记录信号光子，从而有效排除噪声。双螺旋CLC器件对LCP和RCP分量分别引入不同的几何相位调制（ΦL和ΦR），从而在一个器件内集成明场成像（LCP通道）和边缘增强成像（RCP通道）两种功能。通过偏振纠缠特性，在闲频臂中选择特定偏振态（如通过LC波片和偏振器），即可远程触发成像臂中相应的成像模式。
Experimental scheme of heralded single-photon imaging based on the bichiral CLC device
实验上，团队制备了双螺旋CLC成像器件（图2），其光子带隙（PBG）覆盖810纳米。该器件由靠近入射面的左旋CLC（L-CLC）层和由聚合物/液晶纳米复合材料稳定的右旋CLC（R-CLC）层构成。R-CLC层编码了螺旋相位图案用于边缘检测，L-CLC层则为均匀取向用于明场成像。实验装置（图3）包括偏振Sagnac干涉仪纠缠源、反射式4f成像系统以及远程LC开关。量子态层析显示制备的纠缠态保真度达92.7%。
Electrically tunable remote switching of trimode quantum imaging
通过引入NLC波片作为远程开关（图4），研究人员实现了三模式量子成像的电控切换。通过施加1 kHz外部方波信号改变NLC波片的相位延迟，可以选择闲频光子的R、V、L偏振态来触发ICCD，从而远程切换得到边缘检测图像（高SNR）、叠加图像以及明场图像（高SNR）。与直接成像相比（图5），预示单光子成像凭借时间关联测量展现出卓越的抗噪声能力和极高的信噪比。
Ultrafast remote control of quantum edge imaging
为了进一步提升时间效率，研究团队采用FLC波片实现了超快远程控制（图6）。通过切换外加电场的极性，FLC分子 director 发生快速旋转，等效于波片光轴变化约45度，从而在亮场成像和边缘检测模式之间进行切换。实验测得上升时间Δt1为108微秒，下降时间Δt2为77微秒，实现了亚毫秒量级的超快双模切换。
讨论与结论
该研究成功演示了一种基于多功能液晶的动态可调谐预示单光子成像方案。双螺旋CLC器件实现了多功能量子成像，NLC和FLC则分别赋予了多模式切换和超快调控能力。所有成像结果均展现出高信噪比，凸显了其在极弱光条件下的应用价值。这种非局域的主动控制方案充分利用了量子纠缠和液晶的外场响应特性，保证了高度的机械稳定性和光学便利性。该工作不仅为光子受限场景（如生物活体显微）提供了高质量的成像平台，更开拓了软物质在量子信息处理、智能识别等新兴前沿领域的广泛应用前景。不同液晶介相（如CLC、NLC、FLC）的独特优势在此工作中得到了充分验证，预示着未来针对特定量子技术场景，选择合适的液晶材料和调控策略将能实现更为丰富的功能。
