Новая система трехмерной визуализации может улавливать одиночные фотоны
Новая технология является первой реальной демонстрацией подавления однофотонного шума
Исследователи из Технологического института Стивенса создали систему трехмерной визуализации, которая использует квантовые свойства света для создания изображений, в 40000 раз более четких по сравнению с современными технологиями.
Открытие прокладывает путь для эффективного использования системы LIDAR в автомобилях с автоматическим управлением и спутниковых картографических системах, связи в космосе и т.д.
Работа рассматривает давнюю проблему с LIDAR, которая запускает лазеры по удаленным целям, а затем обнаруживает отраженный свет. В то время как детекторы света, используемые в этих системах, достаточно чувствительны, чтобы создавать детальные изображения из нескольких фотонов — мельчайших частиц света, сложно отличить отраженные фрагменты лазерного света от более яркого фонового света, такого как солнечные лучи.
«Чем более чувствительными становятся наши датчики, тем более чувствительными они становятся к фоновому шуму», — говорят ученые. «Это проблема, которую мы сейчас пытаемся решить».
Новая технология является первой реальной демонстрацией подавления однофотонного шума с использованием метода, называемого квантовым параметрическим режимом сортировки или QPMS, который впервые был предложен в 2017 году.
В отличие от большинства инструментов фильтрации шума, которые основаны на программной пост-обработке для очистки изображений с шумом, QPMS проверяет квантовые сигнатуры света с помощью экзотической нелинейной оптики, чтобы создать экспоненциально более чистое изображение на уровне самого датчика.
Обнаружить специфический фотон, несущий информацию, среди фонового шума, все равно что пытаться вырвать из снежной бури одну снежинку — но это именно то, что удалось исследователям. Они описывают метод впечатывания определенных квантовых свойств в исходящий импульс лазерного света, а затем фильтрации входящего света, так что датчик регистрирует только фотоны с совпадающими квантовыми свойствами.
Результат: система визуализации, которая невероятно чувствительна к фотонам, возвращающимся из своей цели, но которая игнорирует практически все нежелательные фотоны с шумом. Такой подход дает четкие трехмерные изображения, даже когда каждый фотон, несущий сигнал, заглушается гораздо большим количеством фотонов с шумом.
«Очистив начальное обнаружение фотонов, мы раздвигаем границы точного трехмерного изображения в «шумной» обстановке», — сказал Патрик Рейн, ведущий автор исследования. «Мы показали, что можем уменьшить количество шума примерно в 40000 раз от того, что могут дать самые современные технологии визуализации».
С практической точки зрения, уменьшение шума QPMS может позволить использовать LIDAR для создания точных, подробных 3-D изображений на расстояниях до 30 километров. QPMS также может быть использован для связи в дальнем космосе, где резкие солнечные блики обычно заглушают отдаленные лазерные импульсы.
Пожалуй, самое захватывающее, что эта технология также может дать исследователям более четкий взгляд на наиболее чувствительные части человеческого тела.
Обеспечивая практически бесшумную однофотонную визуализацию, система поможет исследователям создавать четкие, очень подробные изображения сетчатки глаза человека, используя почти невидимые слабые лазерные лучи, которые не повредят чувствительные ткани глаза.
Patrick Rehain et al, Noise-tolerant single photon sensitive three-dimensional imager, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-14591-8