拨开迷雾见“真相”，单光子相机如何极目远眺（二）

单光子相机的两个关键

　　为了完成这件事情，我们遇到了很多难题，主要的难点是有二。第一，如何去捕获并且探测到一个回来的光子？这就需要十分高精尖的“单光子探测技术”，或者叫“量子探测技术”。第二，因为回来的只有一个光子，这个光子可能来自目标反射回来的光子，当然也有可能来自太阳光的光子，要如何才能准确地区分这些光子？并且每个像素只有一个光子，怎么进行图像重构？我们面临这两个难点可以概括为：一个探测问题，一个重构问题。

　　探测问题

　　针对探测问题，团队发展出了一套高精尖的单光子相机系统。这是我们在2018年搭建的，文章开头讲到的那个“雾里看楼”实验，也是基于这套光学系统。

　　它有几个特点。首先，我们选用的波段不同于普通相机，采用的是近红外波段，也就是1550纳米，比可见光波段稍微高一点点，是人眼看不到的。所以这套系统可以实现人眼安全，并且在大气的传输过程中，它的损耗也是很低的。

　　其次，我们的单光子相机系统发展了很高的耦合效率。如此一来，返回来的光子就能够很好地收集到我们系统里，并且还能通过技术手段降低它的噪音。

　　此外，光子收集进来之后，要进行探测环节。这是我们团队发展的一个基于铟镓砷材料的高精度单光子探测器。最后，这套系统集成度很高，还实现了高精度的扫描。

系统的真实图片，左边是光学望远镜系统，右边是电子学控制系统，包括单光子探测系统。

　　重构问题

　　解决重构问题需要引入单光子相机算法。在算法方面，团队在2016年做了一个实验，让每个像素点只探测一个光子，看看在这种情况下，能不能实现图像重构。

　　在只采用传统的图像算法时，得到了一个非常失真的图像（左图），而采用单光子相机算法就会得到一个非常清晰的图像（右图）。

　　单光子相机实验

　　有了单光子相机，有了具体的算法，就可以去做实验了。我们研究团队的实验都在上海开展，选取了很多不同的目标来验证这一系统和算法。接下来给大家分享两个例子。

　　第一个例子是一个8公里的系统。实验的目标是对8公里外一个人的模型进行识别，看看能不能探测出来。用传统的相机进行拍摄，即使在8公里的尺度，还是有雾霾等各方面的影响，基本上你只能看到楼，但是里面什么样你是看不出来的。用我们的单光子相机拍摄，很清晰地看到，这个人把手举起来了。

　　我们还做了各种各样的人的姿态的模拟和识别。同样，用传统的相机，基本上人的姿态你是识别不出来的。而用我们的相机，很清晰的可以看到，这是两个手举起来，那是一个手举起来。跟真实的图像对比，很清晰地看到，我们的识别是非常准确的。这是我们在近距离对人体的姿态的识别实验。

　　第二个例子是我们不久前刚发表的工作，实现了一个远距离的实验：在45公里外，我们对浦东民航大厦进行拍摄。团队发展的新算法在这项试验中得到了一个最优的结果：每个像素点大概只用两个光子就能完成任务。

　　未来人类社会对远距离拍摄和低能耗会有更大量级、更高水平的要求，包括我们所说的无人车导航用的激光雷达，都需要用到相关的技术。所以这个领域内的研究团队很多，很多国内外的研究组都在做这个方向的研究，包括麻省理工，斯坦福等等。不过目前从成像距离、灵敏度两个方面来看，我们已经实现了国际领先。希望对量子技术感兴趣，或者对成像技术感兴趣的年轻学子们，在物理、数学、计算机，还有英语等几门学科多下苦功，这样才能够发展更新的相机，更新的人工智能算法，从而造福人类。

撰文：徐飞虎 多伦多大学博士，中国科学技术大学教授、博士生导师。《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人“。长期从事量子物理、信息学、计算机等学科的交叉研究，致力于发展实用化量子信息技术。