2026 Nature Physics | 量子纠缠实现复杂介质选择性图像传输
一、导语
无选择性传输一旦介质被校正为 “透明”，所有光信号（包括合法信号和非法窃听信号）都能自由通过，无法实现信息的选择性传输。
易受攻击经典信号可被复制、干扰或欺骗，无法提供真正的物理层安全保障。
必须完全反转散射对厚介质和动态介质，求解完整的散射逆矩阵难度极大，甚至在很多情况下无法实现。
二、核心内容速览
图 1 量子 – 经典选择性成像原理示意图
左侧（经典成像）：将图像编码在经典光的强度分布中，经过复杂介质后，光线被完全散射，输出端只能看到随机散斑，无法识别原始图像。
右侧（量子成像）：将图像编码在纠缠光子对的空间相关性中，经过完全相同的介质后，量子相关性被完整保留，输出端通过测量双光子关联函数，可清晰重建出原始图像，仿佛介质不存在一样。
图 2 实验装置与波前整形方案
子图 A（实验装置）：实验采用 405 nm 连续激光泵浦 I 型 β- 硼酸钡（BBO）晶体，通过自发参量下转换产生 810 nm 频率简并的空间纠缠光子对。复杂介质由空间光调制器（SLM）和石蜡膜散射层组成，放置在成像系统的傅里叶平面。探测端配备两套独立系统：Tpx3Cam 时间戳相机用于测量双光子关联（量子通道），普通 CCD 相机用于测量经典强度图像（经典通道）。
子图 B（经典波前整形）：通过编程 SLM 相位，使整体光学变换S’ ≈ I（单位矩阵），此时介质对量子和经典信号都透明。
子图 C（非经典波前整形）：通过编程特殊的 SLM 相位，使整体光学变换S′不等于I，此时介质仅对量子纠缠信号透明，对经典信号完全散射。
图 3 核心实验对比结果
量子通道（a-d）：无介质时可清晰成像（a）；有介质无整形时完全散斑（b）；经典波前整形后恢复清晰图像（c）；非经典波前整形后仍能恢复清晰图像（d）。
经典通道（e-h）：无介质时可清晰成像（e）；有介质无整形时完全散斑（f）；经典波前整形后恢复清晰图像（g）；非经典波前整形后仍完全模糊，无法识别（h）。
图 4 非经典变换的优化实现过程
量子导星原理：以最大纠缠态作为 “量子导星”（无物体时产生中心尖锐的关联峰），通过优化 SLM 相位，最大化输出关联图像的中心峰值。
优化过程：首先实验测量介质的传输矩阵和输入量子态，然后在计算机上进行数值优化。经过约 4000 步迭代，优化曲线达到平台期，收敛到最优非经典相位掩模。
相位分布特征：非经典相位掩模与经典相位掩模的差值呈现出 0 到 2π 的连续分布，且有两个明显的峰值，与理论预测一致。
图 5 不同复杂介质的通用性验证
实验验证了三种不同介质：SLM 显示的可控随机相位掩模、1 cm 厚聚二甲基硅氧烷（PDMS）层（模拟生物组织低阶像差）、失焦状态的 PDMS 层。
数值模拟验证了更复杂的厚散射介质，结果表明该方法仍然有效，只是视场会受到介质记忆效应的限制，这与经典波前整形类似。
图 6 量子-经典滤波性能定量评估
子图 a：对 50 个不同的非经典解进行测试，量子纠缠编码图像的平均传输保真度达到0.92 ± 0.0007，接近无介质时的理想水平；而经典强度编码图像的平均传输保真度仅为0.25 ± 0.01，接近随机噪声水平。
子图 b-d：进一步验证了滤波机制仅对量子纠缠敏感：只有纠缠态编码的图像能高保真传输（b）；经典光强度编码（c）和可分离双光子态（经典关联）编码（d）的图像都被完全散射。
三、结语
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