量子突破利用光的古怪特性來增強3D成像

來源：生物幫

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

由史蒂文斯量子科學與工程中心主任黃玉萍領導的這項研究解決了激光雷達數(shù)十年來的問題，激光雷達向遠處的目標發(fā)射激光，然后檢測反射光。盡管這些系統(tǒng)中使用的光檢測器足夠靈敏，可以僅用幾個光子來創(chuàng)建詳細的圖像-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，它們對背景噪聲就越敏感。”他的工作發(fā)表在2月17日的高級在線《自然通訊》上?！斑@就是我們現(xiàn)在要解決的問題?！?br />
該技術是第一個使用稱為量子參數(shù)模式排序(QPMS)的方法進行單光子降噪的真實世界演示，該方法由Huang和他的團隊在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)級清潔圖像。

在背景噪聲的轟鳴中檢測到一個特定的帶有信息的光子，就像在試圖從暴風雪中拔出一片雪花一樣，但這正是Huang的團隊設法做到的。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。

結果是：一個成像系統(tǒng)對從其目標返回的光子極為敏感，但實際上忽略了所有不想要的有噪聲的光子。即使每個載有信號的光子被34倍的嘈雜光子淹沒，該團隊的方法仍可產(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，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，與目前最先進的成像技術相比，我們可以減少大約40,000倍的噪聲量?！?br />
這種基于硬件的方法可以促進LIDAR在無法進行計算密集型后處理的嘈雜環(huán)境中的使用。該技術還可以與基于軟件的降噪相結合，以產(chǎn)生更好的結果。Rehain說：“我們沒有試圖與計算方法競爭，我們正在為它們提供可以使用的新平臺?！?br />
實際上，QPMS降噪可以使LIDAR用于生成長達30公里范圍內(nèi)的精確，詳細的3D圖像。它也可以用于深空通信，在這種通信中，太陽刺眼的強光通常會淹沒遠處的激光脈沖。

也許最令人興奮的是，該技術還可以使研究人員更仔細地觀察人體最敏感的部分。通過實現(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，高度詳細的人體視網(wǎng)膜圖像，而不會損壞眼睛的敏感組織。