第22届全国量子光学学术会议聚焦量子成像、量子传感、中性原子阵列与量子态读出。本文结合千眼狼（Revealer）sCMOS相机在冷离子云荧光成像和Qbit 4610中性原子阵列单量子比特读取中的实验案例，解析高量子效率、低读出噪声和高速并行读出对量子成像与单原子探测的价值。

近日，第22届全国量子光学学术会议于中国南京举行，会议议题覆盖量子成像、量子传感、量子干涉、原子量子系统、中性原子阵列、量子光源及量子模拟等方向。随着量子光学实验逐步进入单原子、少光子和大规模阵列并行测量阶段，sCMOS科学相机已从传统图像记录单元转变为量子态读出、弱荧光探测和动力学观测的重要测量节点。围绕这一趋势，千眼狼（Revealer）sCMOS相机在冷离子云荧光成像、中性原子阵列单量子比特读取等实验中的应用，为理解高量子效率、低读出噪声、高速并行读出对量子成像与量子测量的影响提供实验参照。

图1-第22届全国量子光学学术会议现场，千眼狼（Revealer）展示面向量子成像、单原子探测与量子态读出的sCMOS科学相机解决方案

从会议相关报告内容可以看到，量子增强高速非接触光声显微成像、空间模式解复用超分辨成像、量子关联干涉、量子增强光力传感等研究，正在把成像与量子计算和弱信号测量进一步结合，这意味着探测器面对的核心问题转向在有限光子预算和有限相干时间内，能否尽可能完整地获取空间、时间和光子统计信息。

量子成像对sCMOS相机成像要求

量子光学实验中的图像具有下列三大特征：

• 信号弱：冷原子、冷离子、中性原子阵列以及部分单光子发射体系产生的有效荧光信号有限，实验工作在接近光子散粒噪声主导条件下。提高曝光时间虽然可以增加积分光子数，却可能消耗原子相干时间、降低实验循环效率。

• 测量窗口短：冷原子动力学、离子荧光变化和量子态读取通常需要在有限时间窗口内完成采集，更关键的是在缩短曝光时间之后仍然保持足够的信噪比。

• 并行度高：中性原子阵列已经从少量位点扩展至数百甚至上千个原子同时操控。sCMOS相机需保证不同原子位点之间具有足够的空间可分辨性、像素响应一致性和帧间稳定性。

因此，评价一台用于量子成像和量子光学实验的sCMOS相机，关键是量子效率、读出噪声、暗电流、动态范围、像元尺寸、并行读出能力以及外部触发同步性能共同决定最终可获得的信息量。

典型案例1-冷离子云荧光成像

冷离子体系是量子光学和精密测量中的典型实验对象。被囚禁的离子在特定跃迁条件下产生荧光，经高数值孔径光学系统收集后投射至探测器。由于有效光子数有限，图像通常同时包含离子荧光、背景散射、暗噪声和读出噪声。

在一项冷离子云实验中，科研人员采用千眼狼（Revealer）Gloria 1605 sCMOS相机开展荧光成像。实验以532 nm激光照明离子云，相机工作于低噪声模式，曝光时间为100 ms。该相机具备16 μm像元、低于1 e⁻的读出噪声，并在532 nm附件具有较高量子效率。

实验图像能够分辨冷离子云的整体形态、尺寸以及内部不均匀结构。更重要的是，时间序列图像进一步记录了离子云由非平衡状态向稳态演化的过程，使研究人员能够基于连续图像分析局部动力学涨落。同时，sCMOS相机的较高动态范围还使亮核与外围低强度区域能够在同一幅图像中保留。

图2-千眼狼Gloria 1605 sCMOS相机采集的冷离子云弱荧光成像图，呈现离子云空间分布、内部结构及非平衡弛豫动力学特征

典型案例2-中性原子阵列单量子比特读取

在中性原子阵列中，不同量子态在循环跃迁探测条件下表现出不同的荧光统计分布。处于亮态的原子产生较强荧光，暗态主要贡献背景和散粒噪声。因此，量子态读出的本质是在有限探测时间内判断不同原子位点的光子统计分布是否具有足够的可分性。

在一项中性原子阵列实验中，千眼狼（Revealer）Qbit 4610背照式sCMOS相机被用于单原子荧光探测。实验采用高数值孔径物镜收集原子荧光，并将其成像至Qbit 4610传感器。相机工作于超静音扫描模式，并结合2×2 binning提高弱信号探测能力。

图3-千眼狼Qbit 4610 sCMOS相机采集的中性原子阵列单原子荧光图像，用于单量子比特并行读取与量子态判别

在40 ms曝光条件下，Qbit 4610采集的单帧图像能够清晰分辨规则排列的原子位点，单原子荧光信号呈近似高斯分布。对于量子计算系统，成像结果需要进一步进入量子态识别、原子缺失判断、阵列重排乃至反馈控制流程。sCMOS科学相机开始从观察设备变成量子计算测量链路中的状态读出节点。

量子成像走向判别量子态、重构量子过程

第22届全国量子光学学术会议所呈现的一个明显趋势，是量子光学实验正在持续向更低光子数、更大系统规模、更高测量精度以及更复杂信息维度发展。

从冷原子、冷离子到中性原子阵列，从量子传感到量子增强成像和超分辨测量，实验研究正在不断压缩可用的光子预算和时间预算，同时要求探测系统输出更丰富、更可靠的定量信息。

千眼狼（Revealer）Qbit、Gloria系列sCMOS相机围绕高量子效率、低读出噪声、大面阵并行读出及精密同步等方向构建科学成像能力，不再只是实验末端用于“记录现象”的相机，而是转向面向单原子探测、少光子成像与量子态读出的高性能sCMOS科学成像平台，为量子态判别、动力学分析及量子光学定量测量提供可靠原始数据。