Quantum advances in imaging systems

Abstract

Quantum mechanics-based systems are increasingly used for advancing existing technologies. One of the technological frontiers where features of quantum mechanics are shown to have high potential is the imaging industry. Quantum imaging, a quantum version of the conventional imaging system, is becoming increasingly explored for imaging applications. This method of imaging involves taking advantage of unique spatial and temporal quantum correlations to enhance its figure of merit, including modulation transfer function. This thesis discusses the implementation procedure of the photonic quantum imaging scheme with the principal aim of achieving an improved imaging system. In this direction, the efficient generation of quantum sources, as well as their distribution and accurate analysis, are of paramount importance, particularly regarding the practicability of many quantum imaging applications. A quantum source based on the nonlinear process of spontaneous parametric downconversion (SPDC) is well-known and increasingly used for this task. We theoretically study the suitability of the critically phasematched SPDC process and a detailed analysis of it is given in this thesis that will help in engineering a quantum source that is fit for quantum imaging applications. From our theoretical studies and basic experiments, it is well understood that the photon pairs called signal and idler from an SPDC process are capable of showing entanglement time and position correlationsuitable parameters for quantum imaging. These temporal and spatial correlations are used for quantum imaging where spatial correlation supports the extraction of the complete 2D features of the sample under study and the temporal correlation allows us to enhance the SNR of the system, a parameter that affects the modulation transfer function. To learn the temporal correlation’s capability to suppress the noise, hence enhanced SNR, a separate work that is based on the quantum illumination experiment driven by continuous wave laser pumped SPDC is conducted. Our results show that a quantum correlation in the time domain has increased resilience to noise. In a novel method, we demonstrate that with the assistance of polarisation correlation, we can further improve the performance metric of SNR of a quantum illumination system. As we use temporal correlation in the imaging scheme in addition to the spatial correlation, this result has implications for suppressing noise from a quantum imaging system. The advancement of camera technologies offered ample room for experimenting with quantum spatial features, especially in SPDC-based spatial correlation-based imaging. The spatial correlation in SPDC stands out from classical systems- as this showed EPR-type correlations. The task of achieving reconstruction of the spatial feature of an object sample with the assistance of SPDC’s spatial quantum correlation has been shown in this thesis. Our study exploited the transverse spatial correlation in the continuous basis of the SPDC mode to the realization of 2D quantum imaging. Our proof of concept experimental result proves that spatial correlation can be used for reconstructing an image. As this imaging scheme is based on the quantum-correlation behavior of signal and idler photons of the SPDC process, we could suppress the noise in the system by employing the coincidence imaging technique. The demonstrated experimental imaging method is diffraction limited, thus the resolution of the system, at best, is equal to the classical counterparts. Our simulation work shows the performance of the quantum imaging scheme can be affected by input parameters such as the pump beam waist, crystal length, and location of the sample object and the imaging instrument. Therefore, carefully selecting the input parameter values is critical for the system’s performance. The study concludes that quantum-based imaging schemes, like the one presented in this thesis, have high resilience to noise.

Kuantum mekaniği temelli sistemler, mevcut teknolojilerin ilerletilmesinde giderek daha fazla kullanılmaktadır. Kuantum mekani˘gi ¨ozelliklerinin y¨uksek potansiyele sahip oldu˘gu teknolojik sınırlardan biri de g¨or¨unt¨uleme end¨ustrisidir. G¨or¨unt¨uleme uygulamaları i¸cin giderek daha fazla ara¸stırılan kuantum g¨or¨unt¨uleme, geleneksel g¨or¨unt¨uleme sistemlerinin bir kuantum versiyonudur. Bu g¨or¨unt¨uleme y¨ontemi, benzersiz uzamsal ve zamansal kuantum korelasyonlarından faydalanarak, mod¨ulasyon transfer fonksiyonu dahil olmak ¨uzere parametrelerini geli¸stirmek i¸cin kullanılır. Bu tez, geli¸stirilmi¸s bir g¨or¨unt¨uleme sistemi elde etmek i¸cin fotonik kuantum g¨or¨unt¨uleme d¨uzeninin uygulanma prosed¨ur¨un¨u tartı¸smaktadır. Bu y¨onde, kuantum g¨or¨unt¨uleme uygulamalarının pratikli˘gi bakımından ¨ozellikle kuantum kaynaklarının verimli bir ¸sekilde olu¸sturulması, da˘gıtımı ve do˘gru bir ¸sekilde analiz edilmesi b¨uy¨uk ¨onem ta¸sımaktadır. Kendili˘ginden parametrik a¸sa˘gı d¨on¨u¸s¨um (KPAD) olu¸sumunun kritik faz e¸sle¸smesine dayalı bir kuantum kayna˘gı, bu g¨orev i¸cin iyi bilinen ve giderek daha fazla kullanılan bir kaynaktır. Bu tezde, kritik faz e¸sle¸smesi KPAD i¸sleminin uygunlu˘gunu teorik olarak inceledik ve bir kuantum kayna˘gı m¨uhendisli˘gi i¸cin ayrıntılı bir analiz sunduk. Teorik ¸calı¸smalarımız ve temel deneylerimizden, KPAD i¸sleminden elde edilen sinyal ve aylak adlı foton ¸ciftlerinin, kuantum g¨or¨unt¨uleme i¸cin uygun olan zamansal ve mekansal korelasyonları g¨osterebildi˘gi iyi anla¸sılmaktadır. Bu zamansal ve mekansal korelasyonlar, ¨ornek ¨uzerindeki tam iki boyutlu ¨ozelliklerinin ¸cıkarılmasını destekleyen uzamsal korelasyonları ve sistemdeki SNR’yi artırmamıza izin veren zamansal korelasyonları i¸cerir. G¨ur¨ult¨uy¨u bastırmak i¸cin zamansal korelasyonun yetene˘gini ¨o˘grenmek, b¨oylelikle SNR artı¸sı, s¨urekli dalga lazerle pompalanan KPAD tarafından y¨onlendirilen kuantum aydınlatma deneyine dayanan ayrı bir ¸calı¸sma y¨ur¨ut¨ulm¨u¸st¨ur. Sonu¸clarımız, zamansal korelasyonun g¨ur¨ult¨uye kar¸sı artan dayanıklılı˘gının oldu˘gunu g¨ostermektedir. Kamera teknolojilerinin geli¸simi, ¨ozellikle KPAD temelli mekansal korelasyon tabanlı g¨or¨unt¨uleme alanında kuantum mekani˘gi mekansal ¨ozellikleriyle deney yapmak i¸cin bol fırsat sunmu¸stur. KPAD’deki mekansal korelasyon klasik sistemlerden ayrılır - ¸c¨unk¨u EPR tipi korelasyonlar g¨osterir. KPAD’nin mekansal kuantum korelasyonunun yardımıyla bir nesne ¨orne˘ginin mekansal ¨ozelli˘ginin yeniden olu¸sturulması g¨orevi bu tezde g¨osterilmi¸stir. C¸ alı¸smamız, KPAD modunun s¨urekli bazında pop¨uler bir ¸capraz mekansal korelasyon ¨ozelli˘gini kullanarak iki boyutlu kuantum g¨or¨unt¨uleme ger¸cekle¸stirmeye y¨oneliktir. Kavram kanıtı olarak deneysel sonu¸clarımız, mekansal korelasyonun bir g¨or¨unt¨uy¨u yeniden olu¸sturmak i¸cin kullanılabilece˘gini g¨ostermektedir. Bu g¨or¨unt¨uleme ¸seması, KPAD s¨urecinin sinyal ve aylak fotonlarının kuantum korelasyon davranı¸sına dayandı˘gı i¸cin, rastlantısal g¨or¨unt¨uleme tekni˘gini kullanarak sistemdeki g¨ur¨ult¨uy¨u bastırabildik. G¨osterilen deneysel g¨or¨unt¨uleme y¨ontemi kırınım ile sınırlıdır, bu nedenle sistem ¸c¨oz¨un¨url¨u˘g¨u en iyi durumda klasik kar¸sıt par¸calarıyla e¸sittir. Sim¨ulasyon ¸calı¸smamız, kuantum g¨or¨unt¨uleme ¸semasının pompa ı¸sını bel geni¸sli˘gi, kristal uzunlu˘gu, ¨ornek nesnenin konumu ve g¨or¨unt¨uleme aracının konumu gibi girdi parametreleri tarafından etkilenebilece˘gini g¨ostermektedir. Bu nedenle, giri¸s parametre de˘gerlerinin dikkatli se¸cimi sistem performansı i¸cin kritiktir. C¸ alı¸sma, bu tezde sunulan gibi kuantum tabanlı g¨or¨unt¨uleme ¸semalarının g¨ur¨ult¨uye kar¸sı y¨uksek diren¸c g¨osterdi˘gini sonu¸clandırmaktadır.