史蒂文斯理工學院的研究人員創(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)、深空雷達探測和探測以及空間通信和視網膜醫(yī)學成像的空前發(fā)展鋪平了道路。
這項由史蒂文斯量子科學與工程中心主任黃玉平領導的研究解決了激光雷達幾十年的難題。激光雷達向遠處的目標發(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，只需使用幾個光子就能產生詳細的圖像——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?！彼淖髌酚?月17日發(fā)表在《高級在線》《自然通訊》上。“這是我們現在要解決的問題?！?
這項技術是第一個使用量子參數模式排序(QPMS)方法的單光子降噪的真實演示，該方法是由黃和他的團隊在2017年的《自然》論文中首次提出的。與大多數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)建指數級的干凈圖像。
在背景噪音的轟鳴聲中用信息探測到一個特定的光子，就像試圖從暴風雪中拉出一片雪花，但這正是黃的團隊成功做到的。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。
結果是，成像系統(tǒng)對從其目標返回的光子極其敏感，但實際上忽略了所有不想要的噪聲光子。即使每個攜帶信號的光子被34倍的噪聲光子淹沒，該團隊的方法仍然可以產生清晰的3D圖像。
這項研究的第一作者、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?！薄拔覀円呀涀C明，與目前最先進的成像技術相比，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激光雷達在噪聲環(huán)境中的使用，在噪聲環(huán)境中，計算密集型后處理是不可能的。這項技術還可以與基于軟件的降噪相結合，以產生更好的效果。雷恩說：“我們并沒有試圖與計算方法競爭。我們正在為他們提供可以使用的新平臺?！?
事實上，QPMS降噪可以使LIDAR在30公里范圍內生成準確、詳細的3D圖像。它還可以用于深空通信，在深空通信中，太陽的強光通常會淹沒遠處的激光脈沖。
也許最令人興奮的是，這項技術還可以讓研究人員更仔細地觀察人體最敏感的部位。通過實現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)建清晰且高度詳細的人類視網膜圖像。
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