量子突破利用光的古怪特性來增強(qiáng)3D成像

來源：生物幫

史蒂文斯理工學(xué)院的研究人員創(chuàng)建了一個(gè)3D成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用光的量子特性創(chuàng)建的圖像比當(dāng)前技術(shù)清晰度高40,000倍，為自動(dòng)駕駛汽車，衛(wèi)星測(cè)繪系統(tǒng)，深空雷達(dá)探測(cè)和檢測(cè)領(lǐng)域前所未有的發(fā)展鋪平了道路視網(wǎng)膜的空間通信和醫(yī)學(xué)成像。

由史蒂文斯量子科學(xué)與工程中心主任黃玉萍領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究解決了激光雷達(dá)數(shù)十年來的問題，激光雷達(dá)向遠(yuǎn)處的目標(biāo)發(fā)射激光，然后檢測(cè)反射光。盡管這些系統(tǒng)中使用的光檢測(cè)器足夠靈敏，可以僅用幾個(gè)光子來創(chuàng)建詳細(xì)的圖像-可以用信息編碼的微小光粒子-但很難區(qū)分激光的反射片段和明亮的背景光(如光束)。

Huang說：“我們的傳感器越敏感，它們對(duì)背景噪聲就越敏感�！彼�的工作發(fā)表在2月17日的高級(jí)在線《自然通訊》上�！斑@就是我們現(xiàn)在要解決的問題�！�

該技術(shù)是第一個(gè)使用稱為量子參數(shù)模式排序(QPMS)的方法進(jìn)行單光子降噪的真實(shí)世界演示，該方法由Huang和他的團(tuán)隊(duì)在2017年Nature論文中首次提出。與大多數(shù)噪聲過濾工具依賴于基于軟件的后處理來清除噪聲圖像不同，QPMS通過奇異的非線性光學(xué)器件檢查光的量子特征，從而在傳感器本身的水平上創(chuàng)建指數(shù)級(jí)清潔圖像。

在背景噪聲的轟鳴中檢測(cè)到一個(gè)特定的帶有信息的光子，就像在試圖從暴風(fēng)雪中拔出一片雪花一樣，但這正是Huang的團(tuán)隊(duì)設(shè)法做到的。Huang和同事描述了一種將特定量子特性壓印到激光的出射脈沖上，然后過濾入射光的方法，以便傳感器僅記錄具有匹配量子特性的光子。

結(jié)果是：一個(gè)成像系統(tǒng)對(duì)從其目標(biāo)返回的光子極為敏感，但實(shí)際上忽略了所有不想要的有噪聲的光子。即使每個(gè)載有信號(hào)的光子被34倍的嘈雜光子淹沒，該團(tuán)隊(duì)的方法仍可產(chǎn)生清晰的3D圖像。

該研究的主要作者，史蒂文斯博士候選人帕特里克·雷恩(Patrick Rehain)表示：“通過清理初始光子檢測(cè)，我們將在嘈雜的環(huán)境中突破精確3D成像的極限�！薄拔覀円呀�(jīng)證明，與目前最先進(jìn)的成像技術(shù)相比，我們可以減少大約40,000倍的噪聲量。”

這種基于硬件的方法可以促進(jìn)LIDAR在無法進(jìn)行計(jì)算密集型后處理的嘈雜環(huán)境中的使用。該技術(shù)還可以與基于軟件的降噪相結(jié)合，以產(chǎn)生更好的結(jié)果。Rehain說：“我們沒有試圖與計(jì)算方法競(jìng)爭(zhēng)，我們正在為它們提供可以使用的新平臺(tái)。”

實(shí)際上，QPMS降噪可以使LIDAR用于生成長(zhǎng)達(dá)30公里范圍內(nèi)的精確，詳細(xì)的3D圖像。它也可以用于深空通信，在這種通信中，太陽刺眼的強(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，該技術(shù)還可以使研究人員更仔細(xì)地觀察人體最敏感的部分。通過實(shí)現(xiàn)幾乎無噪聲的單光子成像，Stevens成像系統(tǒng)將幫助研究人員使用幾乎看不見的微弱激光束創(chuàng)建清晰，高度詳細(xì)的人體視網(wǎng)膜圖像，而不會(huì)損壞眼睛的敏感組織。