在任何光学传感仪器中，光源和检测系统对其性能起着举足轻重的作用。近年来，提高光学传感系统灵敏度的一种激进方法是使用量子光源并测量其非经典特性。这就超过了经典物理定律所规定的性能极限。这一思想在目标检测领域的体现是量子照明(QI)，其中利用量子纠缠来抑制目标检测信道的背景噪声。在QI设置中，与本地存储的参考光纠缠的探测光询问目标。收集混合了强背景噪声光的后反射探针光(如果目标存在)，并与参考光一起进行联合检测测量，以确定目标的存在与否。与量子光脆弱的普遍感知相反，QI优于经典检测的性能优势在高损耗和高噪声状态下最为明显。类似的激光雷达灵敏度的增强也被证明是通过光子-光子相关的相位不敏感测量。
尽管其性能优于具有同等探测功率的经典激光雷达，但QI的实际应用受到严重限制，部分原因在于其基本功率限制:不仅纠缠光源的通量难以增加，而且它提供的性能增强也会随着功率的增加而减少。因此，QI很难满足实际传感应用的需求，因为实际传感应用需要高探针功率来扩展实验室设置之外的检测范围。因此，一个自然的调查路线可能会提出一个问题，即是否有可能借用QI的方法来增强经典的激光雷达协议，同时保留基本的性能增强。除了QI之外，类似的方法已经被证明是成功的，用于最初被认为依赖于量子效应的传感协议，包括幽灵成像和量子光学相干层析成像。
多伦多大学研究者开发并展示了一个基于经典时频相关相干测量的量子启发LiDAR原型。该系统采用高功率经典光源，保持了量子LiDARs的高噪声抑制优势。特别是，他们表明它可以在对单光子信号敏感的同时，实现超过100dB的不可区分(在每个自由度上具有统计上相同的特性)带内噪声抑制(集成时间为100ms)。除了LiDAR演示之外，他们还讨论了所提出的LiDAR接收器在量子信息应用中的潜力。特别地，他们提出了混沌量子频率转换技术，用于光的高维量子态的相干操纵。结果表明，与基于脉冲的量子频率转换相比，该技术在选择性和效率方面可以提供更好的性能。该研究工作以题为“Compact all-fiber quantum-inspired LiDAR with over 100 dB noise rejection and single photon sensitivity”的论文发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。
图1.混沌- QFC LiDAR及其各阶段工作原理图图1a-g总结了混沌-QFC LiDAR 系统的不同阶段示意图和相应的相互作用光波光谱。根据DFG的节能要求，将探针光创建为具有共轭相位的参考光(ASE，图1b)的光谱镜像(图1c)。探测光在自由空间收发器中与噪声混合(图1d)。在SFG之前，需要对探头和参考光的群速度色散和相对延迟进行补偿，使探头和参考光的不同频率分量对c-SFG有建设性的贡献。i-SFG的滤波包括三个阶段:(1)相位匹配带宽(图1e)限制了i-SFG的产生频谱;(2)光带通滤波器(图1f)光学抑制大多数i-SFG功率;(3)相敏检测(平衡差)信号(图1g)的窄带电滤波器(积分时间)以最大限度地抑制噪声。为了避免低频技术噪声，可以通过锯齿波调制(serrodyne)探头光将纯差检测信号的频率移至非直流频率fHDD(图1 g)。混沌- QFC LiDAR实验装置如图2所示，其详细信息可在方法部分找到。在源段，通过单频(781.7 nm)泵浦光与ASE光之间的DFG产生相关探头光和参考光。产生的探针光和参考光被分离，并通过光谱滤波器和光纤放大器增强功率。探头和参考臂的相对延迟和总色散被补偿为最大的c-SFG效率。收发器部分由一个探测光准直器、一个自制望远镜和一个目标物体组成，目标物体放置在距准直器和望远镜约4米的地方。测试了两个不同的目标物体:一块固定在光学台上的磨碎玻璃和一架四轴飞行器(表面是粗糙的塑料)，放在光学台上的手推车上。在收发器的输出端，探头光与具有相同时频统计特性的噪声光混合。在接收部分，采集到的探头光和参考光在周期性极化的PPLN (HCP-RPE-5 cm)波导中进行SFG。SFG的输出先经过窄带滤光片(衍射光栅)，然后通过平衡差检测进行相敏检测。各相互作用波的光谱如图3a所示。通过比较不同探头和噪声功率(在SFG波导输出处测量)的同差信号电平，可以对激光雷达的噪声弹性进行基准测试。值得强调的是，噪声光与探测光具有相同的时频特性，因此无法通过常规时频滤波将其与探测光分离。相反，探头光被转换成c-SFG，并通过窄带光学和电滤波与噪声光诱导的i-SFG分离。在目前的实验设置中，波导相位匹配和衍射光栅有助于减少约97%的i-SFG(在3.7 nm非相位匹配的i-SFG带宽上应用0.12 nm滤波器带宽)。额外的光学滤波可以通过添加高细度法伯-珀罗滤光片来应用。图4. 对不同探头和噪声功率下的静差信号电平进行了分析利用频谱分析仪(ESA)的10Hz分辨率带宽(100ms积分时间)模拟窄带电滤波。从图4可以看出，要产生相同的同差信号电平，噪声功率需要比稳定目标反射的探头光高107dB。测量到的107 dB噪声抑制低于理论预测的原因可以归因于许多因素，包括非理想的塞罗达因调制，非高斯形状探头光谱、参比光等。当使用非稳定四轴飞行器作为目标物体时，与稳定目标物体具有相同通量的反向反射探头光产生的同差信号较弱，抑制噪声较低(95 dB)。这是因为机械振动诱导后反射探针光的多普勒增宽。这样的相位噪声被转移到c-SFG频谱中(图5)。因此，10Hz滤波器也由于过滤波(10Hz < 1000Hz)而降低了测量的同差信号的电平。同样值得注意的是，在目前的设置中，非零DFG泵频宽(75 kHz)不会使同差信号频谱变宽。这是因为c-SFG和同差本振光的相位波动是相同的，并且相互抵消。为了对测距性能进行基准测试，使用自制的机械延迟线对参考光的延迟进行扫描，以确定目标物体(四轴飞行器)的距离(图6)。扫描时，观察到同差信号的多普勒频移与扫描速度成正比。同差信号电平作为扫描距离的函数呈现多个侧峰，这可能是由于探头光子向不同方向的漫反射，导致望远镜内部探头路径长度不同。确定了以镜面反射物体作为目标物体时，测距信号在距离上定位为单峰。值得一提的是，在我们目前的设置中，延迟扫描的速度和动态范围可以通过商用固态光开关和固定光纤延迟线来改进。总之，他们提出了一种基于经典时频相关相干测量的量子启发LiDAR原型。它保留了量子LiDARs的高噪声恢复优势(对难以区分的噪声抑制>100 dB)，同时仍然允许高功率经典光源和单光子灵敏度来扩展探测范围。它的原理也类似于混沌LiDAR，但通过相干光处理的实现避免了电域检测和信号处理的基本限制。因此，研究者在这里展示的LiDAR原型结合了实际实现和实质性的性能增强。他们希望它在不久的将来成为一个有用的工具，用于需要高抑制串扰和噪声干扰的现实世界的LiDAR应用。混沌模式转换技术源于LiDAR接收器，也可以应用于量子信息应用，与基于脉冲的量子频率转换相比，它提供了性能增强。它具有高效率和选择性的优点，可用于玻色子采样等高维量子信息处理应用。
