撥開迷霧見「真相」,單光子相機如何極目遠眺

隔着厚厚的霧霾,能夠看多遠?我們的答案是45公里。
為了證明我們真的能清楚地看到45公里開外的目標,2018年8月我們團隊在上海搭建了一個單光子相機系統,然後把它搬到了崇明島上。實驗的目標是對45公里外的浦東民航大廈進行拍照。為了完成這個實驗,我們在崇明島租了一個賓館,把系統搬到了賓館20層,因為站得高才能望得遠。

撥開迷霧見「真相」,單光子相機如何極目遠眺

出品:新浪科技《科學大家》、墨子沙龍

徐飛虎:多倫多大學博士,中國科學技術大學教授、博士生導師。《麻省理工科技評論》「35歲以下科技創新35人「。長期從事量子物理、信息學、計算機等學科的交叉研究,致力於發展實用化量子信息技術。

在使用單光子相機系統拍攝前,我們先做了一個對比實驗,選用的是市面上能買到的最好的商用天文望遠鏡,同時結合一台佳能相機,對浦東民航大廈進行拍攝。

撥開迷霧見「真相」,單光子相機如何極目遠眺

當時的霧霾非常嚴重,所以即便是用了最好的天文望遠鏡和佳能相機,也只能拍到一個非常模糊的圖像。而用單光子相機拍攝,是可以很清楚地看到一個大樓的輪廓的。這是我們所做的兩個關鍵實驗之一:45公里實驗。

另一項關鍵實驗叫做「22公里實驗」。

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在這個實驗中,我們選的另一個目標也是在上海:購物中心K11。我們在22公里外對K11進行拍攝,同樣我們用最好的天文望遠鏡和相機進行比對拍攝,即使是22公里,由於霧霾的影響,我們也基本上什麼都看不到。然後用我們的單光子相機,拍攝結果見上圖中間插圖。

從這兩項實驗為出發點,我希望能夠為大家介紹我們團隊研究的「單光子相機」。

對比一下K11真實的圖像,可見單光子相機很清楚地呈現出K11的整體面貌。值得注意的是,單光子相機不僅能拍出圖像,而且這幅圖像還是三維的:圖中所呈現出的不同的顏色,其實是告訴我們這個東西距離拍攝者有多遠。比如紅色就是相對較遠一些的,而藍色則距離拍攝者相對較近一些。所以單光子相機不僅能夠實現「霧里看花」,同時也能夠實現多一個維度的成像,我們將其稱作「三維成像」。

什麼是單光子相機?

那麼這樣的效果是怎麼做到的呢?一個核心技術就是我們團隊研發的遠距離單光子相機。遠距離單光子相機的核心是激光成像雷達技術,以及在量子信息里發展出的高精度單光子探測技術。

激光雷達又是原理?它可以這麼理解:我們主動發一束光,打到建築物上——任何的建築物,最簡單的就是用激光筆打到牆上。經過漫反射過程,必然有光子被反射回來,我們通過探測器來接收反射回來的光子。如果發射了很多個脈沖,就會收到相應數量的反射回來的光子。

最終對於每一個點,我們收到一個這樣的柱狀圖。

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你會看到圖中出現了一個小峰,由這個小峰的時間和發射時間存在時間差,就能由此得出光的飛行時間。通過光的飛行時間,就可以計算出建築物某一點與發射點之間的距離有多遠。而通過收集到的光子數量,就能知道這個建築物是黑色的還是白色的。收集到光子後對其進行逐點掃描,一個點一個點掃下去,最終將會得到一個目標物體的三維圖像。這就是傳統激光雷達的工作過程。

傳統的激光雷達也存在一定的局限性。由於傳統的激光雷達用的是傳統的探測器,常見的應用可見於手機、相機使用的傳統的光電探測器,這些探測器的靈敏度是很有限的,每一個點至少要探測1nW這樣的光強,或者說換算成光子,大概10^9個光子,才能夠成一個點的信息。一幅圖如果一萬個像素點,就需要1萬乘以10^9這麼多光子,才能夠得到一個清晰的圖像。

若要滿足日常需求,傳統的激光雷達的問題不大,但如果目標距離很遠,就會帶來很大問題。因為光的漫反射過程離得越遠,返回來的光子數就變得越少,跟距離的平方成反比,當目標很遠時,設備就大概只能夠探測到一兩個光子,這會導致探測到的信號出現嚴重失真的情況。如果用這樣的信號,一個個點掃下來,就會得到一個非常失真的圖像,整個圖像過於模糊,無法分辨。

我們團隊的研究目標就是實現遠距離成像,同時需要滿足即使在霧霾這樣的日常生活中會出現的不良觀測條件下,也能實現對遠距離目標的拍攝。那麼能不能用每個像素只探測一個光子來實現清晰的圖像拍攝?於是我們將研究的方向聚焦於單光子相機。一句話來概括,單光子相機就是每個像素只探測一個光子。

光的基本單元就是光量子,我們可以叫它光子、單光子。如果能做到每個像素只探測一個光子,那麼就能在靈敏度上就實現一個巨大的飛躍——10^9到1的巨大飛躍。這樣,就給探測距離和靈敏度帶來一個新的高度,這是我們想做的事情。

單光子相機的兩個關鍵

為了完成這件事情,我們遇到了很多難題,主要的難點是有二。第一,如何去捕獲並且探測到一個回來的光子?這就需要十分高精尖的「單光子探測技術」,或者叫「量子探測技術」。第二,因為回來的只有一個光子,這個光子可能來自目標反射回來的光子,當然也有可能來自太陽光的光子,要如何才能准確地區分這些光子?並且每個像素只有一個光子,怎麼進行圖像重構?我們面臨這兩個難點可以概括為:一個探測問題,一個重構問題。

探測問題

針對探測問題,團隊發展出了一套高精尖的單光子相機系統。這是我們在2018年搭建的,文章開頭講到的那個「霧里看樓」實驗,也是基於這套光學系統。

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它有幾個特點。首先,我們選用的波段不同於普通相機,採用的是近紅外波段,也就是1550納米,比可見光波段稍微高一點點,是人眼看不到的。所以這套系統可以實現人眼安全,並且在大氣的傳輸過程中,它的損耗也是很低的。

其次,我們的單光子相機系統發展了很高的耦合效率。如此一來,返回來的光子就能夠很好地收集到我們系統里,並且還能通過技術手段降低它的噪音。

此外,光子收集進來之後,要進行探測環節。這是我們團隊發展的一個基於銦鎵砷材料的高精度單光子探測器。最後,這套系統集成度很高,還實現了高精度的掃描。

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系統的真實圖片,左邊是光學望遠鏡系統,右邊是電子學控制系統,包括單光子探測系統。

重構問題

解決重構問題需要引入單光子相機算法。在算法方面,團隊在2016年做了一個實驗,讓每個像素點只探測一個光子,看看在這種情況下,能不能實現圖像重構。

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在只採用傳統的圖像算法時,得到了一個非常失真的圖像(左圖),而採用單光子相機算法就會得到一個非常清晰的圖像(右圖)。

單光子相機實驗

有了單光子相機,有了具體的算法,就可以去做實驗了。我們研究團隊的實驗都在上海開展,選取了很多不同的目標來驗證這一系統和算法。接下來給大家分享兩個例子。

第一個例子是一個8公里的系統。實驗的目標是對8公里外一個人的模型進行識別,看看能不能探測出來。用傳統的相機進行拍攝,即使在8公里的尺度,還是有霧霾等各方面的影響,基本上你只能看到樓,但是里面什麼樣你是看不出來的。用我們的單光子相機拍攝,很清晰地看到,這個人把手舉起來了。

我們還做了各種各樣的人的姿態的模擬和識別。同樣,用傳統的相機,基本上人的姿態你是識別不出來的。而用我們的相機,很清晰的可以看到,這是兩個手舉起來,那是一個手舉起來。跟真實的圖像對比,很清晰地看到,我們的識別是非常準確的。這是我們在近距離對人體的姿態的識別實驗。

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第二個例子是我們不久前剛發表的工作,實現了一個遠距離的實驗:在45公里外,我們對浦東民航大廈進行拍攝。團隊發展的新算法在這項試驗中得到了一個最優的結果:每個像素點大概只用兩個光子就能完成任務。

未來人類社會對遠距離拍攝和低能耗會有更大量級、更高水平的要求,包括我們所說的無人車導航用的激光雷達,都需要用到相關的技術。所以這個領域內的研究團隊很多,很多國內外的研究組都在做這個方向的研究,包括麻省理工,斯坦福等等。不過目前從成像距離、靈敏度兩個方面來看,我們已經實現了國際領先。希望對量子技術感興趣,或者對成像技術感興趣的年輕學子們,在物理、數學、計算機,還有英語等幾門學科多下苦功,這樣才能夠發展更新的相機,更新的人工智能算法,從而造福人類。

來源:cnBeta