在科幻电影中，我们常能看到探测器穿透重重烟雾或沙尘，精准锁定目标的场景。而在现实中，让光“看”清隐藏在极端噪声背后的物体，是激光成像领域的一项重大挑战。尤其在1550纳米这个“黄金波段”——它兼顾了低传输损耗和人眼安全，成为空间测距、目标识别和三维遥感等前沿技术的核心驱动力。传统的单光子级成像技术虽然能突破常规系统在极弱光照下的探测极限，但一个棘手的前沿难题始终横亘在前：无处不在的噪声干扰。环境中的杂散光和探测器自身的暗计数，会像浓雾般掩盖目标信号，导致图像对比度和信噪比急剧恶化。尽管已有研究利用光学调制、算法处理乃至基于纠缠光子对、明亮压缩真空光的关联符合成像（CCI）来对抗噪声，但其抗噪能力（例如最高可抵抗比信号强155倍的噪声）在面对实际应用中可能存在的、强度高出数个数量级的极端噪声时，依然力有未逮。究其根源，关键在于光源的光子关联强度不足。如何在保持足够高的符合计数率的同时，获得极强乃至“超级”的光子关联，是从根本上实现强抗噪成像的钥匙。
为此，研究团队独辟蹊径，创造了一种前所未有的光源——超关联光（SCL）。他们不再局限于传统的非线性晶体产生纠缠光子对，而是利用脉冲激光与经过特殊设计的光子晶体光纤（PCF）之间复杂的非线性效应，如同“锻造”光子一样，生成了具有极端光子统计特性的光。这种SCL光源最令人瞩目的特性是其惊人的二阶关联函数g(2)(0)值，最高达到了18,166，这比此前报道的最佳结果（g(2)(0)=170）高出了两个数量级。这种“超关联”性源于其独特的光子数概率分布——它遵循幂律分布，而非传统相干光的泊松分布或热光的玻色-爱因斯坦分布。这意味着，SCL光源中产生多光子“捆绑”发射事件的概率被极大地增强了。例如，在平均每脉冲光子数〈n〉=2.8×10-4的条件下，探测到16个光子的概率，相比相干光和热光分别提高了60和47个数量级。这种极端的多光子事件概率，是其在弱光条件下仍能保持强关联的物理基础。
研究人员将这种超级光源应用于关联符合成像（CCI）系统。其核心原理如图1所示：SCL光源被分成两路，一路作为探测光去照射目标物体，另一路作为参考光留在本地。由于SCL光源中关联光子的产生是“捆绑”且同步的，它们会在同一脉冲的时间窗口内几乎同时到达两个探测器，从而产生符合计数；而环境噪声光子则是随机的，在时间上互不关联，通过设置一个远小于脉冲周期的符合时间窗口，大部分噪声可以被有效滤除。(2)(0)和噪声比R下，CCI与PCI的对比度噪声比模拟结果。">
理论分析表明，成像的对比度噪声比（CNR）与g(2)(0)值正相关。模拟结果（图1B, C）预示，当g(2)(0)高达104时，CCI能在噪声强度是信号104倍（R=104）的宽范围内保持优秀的鲁棒性。相比之下，传统的光子计数成像（PCI）的CNR会随着噪声增加而急剧恶化。这从理论上证明了开发具有超高g(2)(0)值的光源对于推进抗噪关联成像至关重要。
在实验验证部分，研究人员搭建了完整的成像系统（图4A）。他们使用波长为1064纳米的皮秒脉冲激光泵浦一段光子晶体光纤，并通过声光可调滤波器和密集波分复用器，最终在1550纳米波段获得了SCL光源。
成像性能与抗噪能力验证。在泵浦功率为260 mW（此时g(2)(0)最大）的条件下，研究人员进行了抗噪CCI实验。他们通过向探测光路中注入可控的环境噪声光子（由白光LED产生），来模拟不同的噪声强度（用总光子数与信号光子数之比R表示）。实验结果令人震撼：在无噪声（R=1）条件下，CCI的成像质量（峰值信噪比PSNR=28.32 dB, CNR=8.02）已优于PCI（PSNR=13.68 dB, CNR=4.46）。随着噪声强度急剧增加，CCI展现出惊人的鲁棒性。即使噪声强度达到信号的1000倍（R=1000），系统仍能清晰分辨目标与背景（PSNR=24.91 dB, CNR=6.14）。直到噪声强度飙升至信号的10万倍（R=100,000）时，图像才开始出现部分模糊。相比之下，PCI的图像在R=100时，信号光子就已被背景噪声淹没，无法识别目标（图4F-I）。定量分析显示，当噪声光子数分别达到信号光子数的5万倍和2万倍时，CCI的PSNR（13.68 dB）和CNR（4.46）仍然能够达到无噪声干扰时PCI的水平。CCI的可见度在R=100,000时仍能保持在0.24，而PCI在R=100时就已降至0.1以下（图4L）。与之前最先进的基于非经典光源的CCI方案相比，本工作基于SCL的CCI的抗噪能力提高了三个数量级。
SCL光源的特性表征。研究团队对SCL光源进行了详尽的表征。如图2所示，他们测量了不同泵浦功率下的光子计数率和g(2)(0)值。在泵浦功率为260 mW时，g(2)(0)达到最大值18,166（图2C）。有趣的是，g(2)(0)值会随着平均每脉冲光子数〈n〉的减小（通过衰减实现）而显著增加（图2D），这与传统认知不同，其根源在于衰减使得单光子和双光子脉冲被抑制，多光子脉冲的相对比例增加，从而增强了关联性。(2)(0)随泵浦功率的变化。(C) 二阶关联函数g(2)(τ)随时延τ的变化，在τ=NT处观察到聚束和归一化峰。(D) SCL和CL的g(2)(0)随平均每脉冲光子数〈n〉变化的比较。(E) 不同测量时间对应的符合计数和二阶关联函数g(2)(0)。">
光子数概率分布。为了深入理解超关联的物理本质，研究人员测量了SCL的光子数概率分布，并与相干光、热光进行对比。如图3所示，SCL的光子数分布远比后两者更宽，遵循幂律分布P(N)∝N-k，这表明其多光子发射概率得到了巨幅增强。在泵浦功率260 mW，〈n〉=2.8×10-4时，探测到16个光子的概率高达4.9×10-10，相比相干光和热光分别增强了60和47个数量级（图3E, F）。这种极端的多光子事件概率，正是其实现超高g(2)(0)值和卓越抗噪能力的基石。-1时TL和CL的模拟光子数概率分布。(D) 相同泵浦功率、不同平均每脉冲光子数〈n〉下的光子发射概率。三角和圆形符号分别代表〈n〉=2.8×10-4时TL和CL的模拟分布。(B, C, E, F) 不同条件下，SCL的多光子发射概率相对于CL和TL的增强倍数。">
主要技术方法。为开展此项研究，作者主要运用了以下几项关键技术：1. 超关联光（SCL）生成技术：利用1064纳米皮秒脉冲激光泵浦经过优化的光子晶体光纤，通过复杂的非线性效应产生1550纳米波段的SCL。2. 光子统计特性表征技术：基于汉伯里-布朗-特维斯（HBT）干涉仪结构和多通道符合计数测量，精确测定光源的二阶关联函数g(2)(0)和光子数概率分布。3. 抗噪关联符合成像（CCI）系统搭建：构建了包含双路光纤分束、振镜扫描、可控噪声注入及符合计数探测的完整成像光路。4. 时间关联单光子计数（TCSPC）技术：使用多通道超导纳米线单光子探测器（SNSPD）和TCSPC模块，精确记录并处理光子的到达时间，用于符合计数计算和图像重建。
研究结论与意义。这项发表在《科学进展》（SCIENCE ADVANCES）上的研究，成功研制出一种基于1550纳米超关联光（SCL）的抗噪关联符合成像（CCI）系统。其核心突破在于创造了一种具有前所未有光子关联强度（g(2)(0)高达18,166）和极端多光子事件概率的SCL光源。基于此光源的CCI技术，在实验上实现了对随机环境噪声的极致抵抗能力，其抗噪阈值（噪声强度可达信号的105倍）相比现有最先进的非经典光源成像方案提升了三个数量级。即使在噪声光子数高达信号光子数5万倍的极端条件下，该系统重建图像的质量仍可与无噪声时的传统光子计数成像相媲美。
这项工作的重要意义在于：首先，它从光源物理层面突破了关联成像抗噪性能的瓶颈，将单光子级成像的应用场景拓展至存在高强度背景光的极端复杂环境（如雾霾、沙尘、水下或强太阳光干扰等），为下一代激光雷达、远程传感和安全监测等技术提供了全新的解决方案。其次，SCL光源的全光纤化特性使其系统稳定、易于集成，大大降低了实用化的复杂度。最后，该研究揭示了通过非线性光纤系统操控光子统计分布、产生超关联光的可行路径，这不仅适用于成像，也为量子随机数生成、并行单光子激光雷达等其它需要强关联或高亮度非经典光源的先进光子技术开辟了新的可能性。这项研究犹如为光的“视觉”配上了一个强大的“降噪耳机”，使其能在纷繁嘈杂的世界中，依然能清晰聆听并捕捉到那最微弱的回响。
