量子突破利用光的奇異特性增強(qiáng)三維成像

史蒂文斯理工學(xué)院的研究人員創(chuàng)造了一種3D成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用光的量子特性，創(chuàng)造出清晰度比目前技術(shù)高4萬倍的圖像，為無人駕駛汽車、衛(wèi)星測繪系統(tǒng)、深空雷達(dá)探測和探測以及空間通信和視網(wǎng)膜醫(yī)學(xué)成像的空前發(fā)展鋪平了道路。

這項(xiàng)由史蒂文斯量子科學(xué)與工程中心主任黃玉平領(lǐng)導(dǎo)的研究解決了激光雷達(dá)幾十年的難題。激光雷達(dá)向遠(yuǎn)處的目標(biāo)發(fā)射激光，然后探測反射光。雖然這些系統(tǒng)中使用的光電探測器足夠靈敏，只需使用幾個(gè)光子就能產(chǎn)生詳細(xì)的圖像——可以用信息編碼的微小光粒子——但很難區(qū)分激光和明亮背景光(如光束)的反射部分。

黃說：“我們的傳感器越靈敏，對背景噪音就越敏感。”他的作品于2月17日發(fā)表在《高級在線》《自然通訊》上。“這是我們現(xiàn)在要解決的問題。”

這項(xiàng)技術(shù)是第一個(gè)使用量子參數(shù)模式排序(QPMS)方法的單光子降噪的真實(shí)演示，該方法是由黃和他的團(tuán)隊(duì)在2017年的《自然》論文中首次提出的。與大多數(shù)依賴基于軟件的后處理來去除噪聲圖像的噪聲過濾工具不同，QPMS通過奇怪的非線性光學(xué)檢查光的量子特性，從而在傳感器本身的水平上創(chuàng)建指數(shù)級的干凈圖像。

在背景噪音的轟鳴聲中用信息探測到一個(gè)特定的光子，就像試圖從暴風(fēng)雪中拉出一片雪花，但這正是黃的團(tuán)隊(duì)成功做到的。黃和他的同事描述了一種方法，在激光的輸出脈沖上壓印特定的量子特性，然后過濾入射光，使傳感器只記錄具有匹配量子特性的光子。

結(jié)果是，成像系統(tǒng)對從其目標(biāo)返回的光子極其敏感，但實(shí)際上忽略了所有不想要的噪聲光子。即使每個(gè)攜帶信號的光子被34倍的噪聲光子淹沒，該團(tuán)隊(duì)的方法仍然可以產(chǎn)生清晰的3D圖像。

這項(xiàng)研究的第一作者、史蒂文斯博士的候選人帕特里克雷恩(Patrick Rehain)說：“通過清理最初的光子探測，我們將突破嘈雜環(huán)境中精確3D成像的限制?！薄拔覀円呀?jīng)證明，與目前最先進(jìn)的成像技術(shù)相比，我們可以將噪音量減少約4萬倍?！?

這種基于硬件的方法可以促進(jìn)激光雷達(dá)在噪聲環(huán)境中的使用，在噪聲環(huán)境中，計(jì)算密集型后處理是不可能的。這項(xiàng)技術(shù)還可以與基于軟件的降噪相結(jié)合，以產(chǎn)生更好的效果。雷恩說：“我們并沒有試圖與計(jì)算方法競爭。我們正在為他們提供可以使用的新平臺?！?

事實(shí)上，QPMS降噪可以使LIDAR在30公里范圍內(nèi)生成準(zhǔn)確、詳細(xì)的3D圖像。它還可以用于深空通信，在深空通信中，太陽的強(qiáng)光通常會(huì)淹沒遠(yuǎn)處的激光脈沖。

也許最令人興奮的是，這項(xiàng)技術(shù)還可以讓研究人員更仔細(xì)地觀察人體最敏感的部位。通過實(shí)現(xiàn)幾乎無噪聲的單光子成像，史蒂文斯成像系統(tǒng)將幫助研究人員在不損傷眼睛敏感組織的情況下，用幾乎不可見的弱激光束創(chuàng)建清晰且高度詳細(xì)的人類視網(wǎng)膜圖像。

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