徐飛虎：多倫多大學(xué)博士，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師?！堵槭±砉た萍荚u(píng)論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人 “。長(zhǎng)期從事量子物理、信息學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科的交叉研究，致力于發(fā)展實(shí)用化量子信息技術(shù)。
隔著厚厚的霧霾，能夠看多遠(yuǎn)？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(kāi)外的目標(biāo)，2018 年 8 月我們團(tuán)隊(duì)在上海搭建了一個(gè)單光子相機(jī)系統(tǒng)，然后把它搬到了崇明島上。實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是對(duì) 45 公里外的浦東民航大廈進(jìn)行拍照。為了完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們?cè)诔缑鲘u租了一個(gè)賓館，把系統(tǒng)搬到了賓館 20 層，因?yàn)檎镜酶卟拍芡眠h(yuǎn)。在使用單光子相機(jī)系統(tǒng)拍攝前，我們先做了一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選用的是市面上能買(mǎi)到的最好的商用天文望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)結(jié)合一臺(tái)佳能相機(jī)，對(duì)浦東民航大廈進(jìn)行拍攝。
當(dāng)時(shí)的霧霾非常嚴(yán)重，所以即便是用了最好的天文望遠(yuǎn)鏡和佳能相機(jī)，也只能拍到一個(gè)非常模糊的圖像。而用單光子相機(jī)拍攝，是可以很清楚地看到一個(gè)大樓的輪廓的。這是我們所做的兩個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)之一：45 公里實(shí)驗(yàn)。
另一項(xiàng)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)叫做 “22 公里實(shí)驗(yàn)”。
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們選的另一個(gè)目標(biāo)也是在上海：購(gòu)物中心 K11。我們?cè)?22 公里外對(duì) K11 進(jìn)行拍攝，同樣我們用最好的天文望遠(yuǎn)鏡和相機(jī)進(jìn)行比對(duì)拍攝，即使是 22 公里，由于霧霾的影響，我們也基本上什么都看不到。然后用我們的單光子相機(jī)，拍攝結(jié)果見(jiàn)上圖中間插圖。
從這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)為出發(fā)點(diǎn)，我希望能夠?yàn)榇蠹医榻B我們團(tuán)隊(duì)研究的 “單光子相機(jī)”。
對(duì)比一下 K11 真實(shí)的圖像，可見(jiàn)單光子相機(jī)很清楚地呈現(xiàn)出 K11 的整體面貌。值得注意的是，單光子相機(jī)不僅能拍出圖像，而且這幅圖像還是三維的：圖中所呈現(xiàn)出的不同的顏色，其實(shí)是告訴我們這個(gè)東西距離拍攝者有多遠(yuǎn)。比如紅色就是相對(duì)較遠(yuǎn)一些的，而藍(lán)色則距離拍攝者相對(duì)較近一些。所以單光子相機(jī)不僅能夠?qū)崿F(xiàn) “霧里看花”，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)多一個(gè)維度的成像，我們將其稱(chēng)作 “三維成像”。
什么是單光子相機(jī)？
那么這樣的效果是怎么做到的呢？一個(gè)核心技術(shù)就是我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)的遠(yuǎn)距離單光子相機(jī)。遠(yuǎn)距離單光子相機(jī)的核心是激光成像雷達(dá)技術(shù)，以及在量子信息里發(fā)展出的高精度單光子探測(cè)技術(shù)。
激光雷達(dá)又是原理？它可以這么理解：我們主動(dòng)發(fā)一束光，打到建筑物上——任何的建筑物，最簡(jiǎn)單的就是用激光筆打到墻上。經(jīng)過(guò)漫反射過(guò)程，必然有光子被反射回來(lái)，我們通過(guò)探測(cè)器來(lái)接收反射回來(lái)的光子。如果發(fā)射了很多個(gè)脈沖，就會(huì)收到相應(yīng)數(shù)量的反射回來(lái)的光子。
最終對(duì)于每一個(gè)點(diǎn)，我們收到一個(gè)這樣的柱狀圖。
你會(huì)看到圖中出現(xiàn)了一個(gè)小峰，由這個(gè)小峰的時(shí)間和發(fā)射時(shí)間存在時(shí)間差，就能由此得出光的飛行時(shí)間。通過(guò)光的飛行時(shí)間，就可以計(jì)算出建筑物某一點(diǎn)與發(fā)射點(diǎn)之間的距離有多遠(yuǎn)。而通過(guò)收集到的光子數(shù)量，就能知道這個(gè)建筑物是黑色的還是白色的。收集到光子后對(duì)其進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)掃下去，最終將會(huì)得到一個(gè)目標(biāo)物體的三維圖像。這就是傳統(tǒng)激光雷達(dá)的工作過(guò)程。
傳統(tǒng)的激光雷達(dá)也存在一定的局限性。由于傳統(tǒng)的激光雷達(dá)用的是傳統(tǒng)的探測(cè)器，常見(jiàn)的應(yīng)用可見(jiàn)于手機(jī)、相機(jī)使用的傳統(tǒng)的光電探測(cè)器，這些探測(cè)器的靈敏度是很有限的，每一個(gè)點(diǎn)至少要探測(cè) 1nW 這樣的光強(qiáng)，或者說(shuō)換算成光子，大概 10^9 個(gè)光子，才能夠成一個(gè)點(diǎn)的信息。一幅圖如果一萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)，就需要 1 萬(wàn)乘以 10^9 這么多光子，才能夠得到一個(gè)清晰的圖像。
若要滿(mǎn)足日常需求，傳統(tǒng)的激光雷達(dá)的問(wèn)題不大，但如果目標(biāo)距離很遠(yuǎn)，就會(huì)帶來(lái)很大問(wèn)題。因?yàn)楣獾穆瓷溥^(guò)程離得越遠(yuǎn)，返回來(lái)的光子數(shù)就變得越少，跟距離的平方成反比，當(dāng)目標(biāo)很遠(yuǎn)時(shí)，設(shè)備就大概只能夠探測(cè)到一兩個(gè)光子，這會(huì)導(dǎo)致探測(cè)到的信號(hào)出現(xiàn)嚴(yán)重失真的情況。如果用這樣的信號(hào)，一個(gè)個(gè)點(diǎn)掃下來(lái)，就會(huì)得到一個(gè)非常失真的圖像，整個(gè)圖像過(guò)于模糊，無(wú)法分辨。
我們團(tuán)隊(duì)的研究目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離成像，同時(shí)需要滿(mǎn)足即使在霧霾這樣的日常生活中會(huì)出現(xiàn)的不良觀測(cè)條件下，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的拍攝。那么能不能用每個(gè)像素只探測(cè)一個(gè)光子來(lái)實(shí)現(xiàn)清晰的圖像拍攝？于是我們將研究的方向聚焦于單光子相機(jī)。一句話(huà)來(lái)概括，單光子相機(jī)就是每個(gè)像素只探測(cè)一個(gè)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(gè)像素只探測(cè)一個(gè)光子，那么就能在靈敏度上就實(shí)現(xiàn)一個(gè)巨大的飛躍——10^9 到 1 的巨大飛躍。這樣，就給探測(cè)距離和靈敏度帶來(lái)一個(gè)新的高度，這是我們想做的事情。
單光子相機(jī)的兩個(gè)關(guān)鍵
為了完成這件事情，我們遇到了很多難題，主要的難點(diǎn)是有二。第一，如何去捕獲并且探測(cè)到一個(gè)回來(lái)的光子？這就需要十分高精尖的 “單光子探測(cè)技術(shù)”，或者叫 “量子探測(cè)技術(shù)”。第二，因?yàn)榛貋?lái)的只有一個(gè)光子，這個(gè)光子可能來(lái)自目標(biāo)反射回來(lái)的光子，當(dāng)然也有可能來(lái)自太陽(yáng)光的光子，要如何才能準(zhǔn)確地區(qū)分這些光子？并且每個(gè)像素只有一個(gè)光子，怎么進(jìn)行圖像重構(gòu)？我們面臨這兩個(gè)難點(diǎn)可以概括為：一個(gè)探測(cè)問(wèn)題，一個(gè)重構(gòu)問(wèn)題。
探測(cè)問(wèn)題
針對(duì)探測(cè)問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)發(fā)展出了一套高精尖的單光子相機(jī)系統(tǒng)。這是我們?cè)?2018 年搭建的，文章開(kāi)頭講到的那個(gè) “霧里看樓”實(shí)驗(yàn)，也是基于這套光學(xué)系統(tǒng)。
它有幾個(gè)特點(diǎn)。首先，我們選用的波段不同于普通相機(jī)，采用的是近紅外波段，也就是 1550 納米，比可見(jiàn)光波段稍微高一點(diǎn)點(diǎn)，是人眼看不到的。所以這套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人眼安全，并且在大氣的傳輸過(guò)程中，它的損耗也是很低的。
其次，我們的單光子相機(jī)系統(tǒng)發(fā)展了很高的耦合效率。如此一來(lái)，返回來(lái)的光子就能夠很好地收集到我們系統(tǒng)里，并且還能通過(guò)技術(shù)手段降低它的噪音。
此外，光子收集進(jìn)來(lái)之后，要進(jìn)行探測(cè)環(huán)節(jié)。這是我們團(tuán)隊(duì)發(fā)展的一個(gè)基于銦鎵砷材料的高精度單光子探測(cè)器。最后，這套系統(tǒng)集成度很高，還實(shí)現(xiàn)了高精度的掃描。
系統(tǒng)的真實(shí)圖片，左邊是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，右邊是電子學(xué)控制系統(tǒng)，包括單光子探測(cè)系統(tǒng)。
重構(gòu)問(wèn)題
解決重構(gòu)問(wèn)題需要引入單光子相機(jī)算法。在算法方面，團(tuán)隊(duì)在 2016 年做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，讓每個(gè)像素點(diǎn)只探測(cè)一個(gè)光子，看看在這種情況下，能不能實(shí)現(xiàn)圖像重構(gòu)。
在只采用傳統(tǒng)的圖像算法時(shí)，得到了一個(gè)非常失真的圖像（左圖），而采用單光子相機(jī)算法就會(huì)得到一個(gè)非常清晰的圖像（右圖）。
單光子相機(jī)實(shí)驗(yàn)
有了單光子相機(jī)，有了具體的算法，就可以去做實(shí)驗(yàn)了。我們研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)都在上海開(kāi)展，選取了很多不同的目標(biāo)來(lái)驗(yàn)證這一系統(tǒng)和算法。接下來(lái)給大家分享兩個(gè)例子。
第一個(gè)例子是一個(gè) 8 公里的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是對(duì) 8 公里外一個(gè)人的模型進(jìn)行識(shí)別，看看能不能探測(cè)出來(lái)。用傳統(tǒng)的相機(jī)進(jìn)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，但是里面什么樣你是看不出來(lái)的。用我們的單光子相機(jī)拍攝，很清晰地看到，這個(gè)人把手舉起來(lái)了。
我們還做了各種各樣的人的姿態(tài)的模擬和識(shí)別。同樣，用傳統(tǒng)的相機(jī)，基本上人的姿態(tài)你是識(shí)別不出來(lái)的。而用我們的相機(jī)，很清晰的可以看到，這是兩個(gè)手舉起來(lái)，那是一個(gè)手舉起來(lái)。跟真實(shí)的圖像對(duì)比，很清晰地看到，我們的識(shí)別是非常準(zhǔn)確的。這是我們?cè)诮嚯x對(duì)人體的姿態(tài)的識(shí)別實(shí)驗(yàn)。
第二個(gè)例子是我們不久前剛發(fā)表的工作，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)遠(yuǎn)距離的實(shí)驗(yàn)：在 45 公里外，我們對(duì)浦東民航大廈進(jìn)行拍攝。團(tuán)隊(duì)發(fā)展的新算法在這項(xiàng)試驗(yàn)中得到了一個(gè)最優(yōu)的結(jié)果：每個(gè)像素點(diǎn)大概只用兩個(gè)光子就能完成任務(wù)。
未來(lái)人類(lèi)社會(huì)對(duì)遠(yuǎn)距離拍攝和低能耗會(huì)有更大量級(jí)、更高水平的要求，包括我們所說(shuō)的無(wú)人車(chē)導(dǎo)航用的激光雷達(dá)，都需要用到相關(guān)的技術(shù)。所以這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)很多，很多國(guó)內(nèi)外的研究組都在做這個(gè)方向的研究，包括麻省理工，斯坦福等等。不過(guò)目前從成像距離、靈敏度兩個(gè)方面來(lái)看，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)際領(lǐng)先。希望對(duì)量子技術(shù)感興趣，或者對(duì)成像技術(shù)感興趣的年輕學(xué)子們，在物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)，還有英語(yǔ)等幾門(mén)學(xué)科多下苦功，這樣才能夠發(fā)展更新的相機(jī)，更新的人工智能算法，從而造福人類(lèi)。
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