Vil du fange en foton? Start med at dæmpe solen

Forskere ved Stevens Institute of Technology har skabt et 3-D billeddannelsessystem, der bruger lysets kvanteegenskaber til at skabe billeder 40, 000 gange skarpere end nuværende teknologier, baner vejen for aldrig før set LIDAR-sansning og detektion i selvkørende biler, satellitkortsystemer, dybrumskommunikation og medicinsk billeddannelse af den menneskelige nethinde.

Arbejdet, ledet af Yuping Huang, direktør for Center for Quantum Science and Engineering i Stevens, løser et årtier gammelt problem med LIDAR, som affyrer lasere mod fjerne mål, registrerer derefter det reflekterede lys. Mens lysdetektorer, der bruges i disse systemer, er følsomme nok til at skabe detaljerede billeder fra blot nogle få fotoner - minimale lyspartikler, der kan kodes med information - er det svært at skelne reflekterede fragmenter af laserlys fra lysere baggrundslys såsom solstråler.

"Jo mere følsomme vores sensorer bliver, jo mere følsomme bliver de over for baggrundsstøj, "sagde Huang, hvis arbejde vises i den avancerede onlineudgave af 17. februar Naturkommunikation . "Det er det problem, vi nu forsøger at løse."

Teknologien er den første virkelige verden demonstration af single-photon støjreduktion ved hjælp af en metode kaldet Quantum Parametric Mode Sorting, eller QPMS, som først blev foreslået af Huang og hans team i en 2017 Natur papir. I modsætning til de fleste støjfiltreringsværktøjer, som er afhængige af software-baseret efterbehandling til at rydde op i støjende billeder, QPMS kontrollerer lysets kvantesignaturer gennem eksotisk ikke -lineær optik for at skabe et eksponentielt renere billede på niveau med selve sensoren.

At opdage en specifik informationsbærende foton midt i brølet af baggrundsstøj er som at prøve at plukke et enkelt snefnug fra en snestorm – men det er præcis, hvad Huangs team har formået at gøre. Huang og kolleger beskriver en metode til at indprente specifikke kvanteegenskaber på en udgående puls af laserlys, og derefter filtrering af indkommende lys, så kun fotoner med matchende kvanteegenskaber registreres af sensoren.

Resultatet:et billeddannelsessystem, der er utroligt følsomt over for fotoner, der vender tilbage fra sit mål, men det ignorerer stort set alle uønskede støjende fotoner. Holdets tilgang giver skarpe 3D-billeder, selv når hver signalbærende foton overdøves med 34 gange så mange støjende fotoner.

"Ved at rydde op i den første fotondetektion, vi rykker grænserne for nøjagtig 3D-billeddannelse i et støjende miljø, sagde Patrick Rehain, en Stevens ph.d.-kandidat og undersøgelsens hovedforfatter. "Vi har vist, at vi kan reducere mængden af ​​støj omkring 40, 000 gange bedre end de bedste nuværende billedteknologier."

Den hardwarebaserede tilgang kunne lette brugen af ​​LIDAR i støjende omgivelser, hvor beregningsintensiv efterbehandling ikke er mulig. Teknologien kunne også kombineres med softwarebaseret støjreduktion for at give endnu bedre resultater. "Vi forsøger ikke at konkurrere med beregningsmetoder - vi giver dem nye platforme at arbejde i, " sagde Rehain.

Rent praktisk, QPMS-støjreduktion kunne gøre det muligt at bruge LIDAR til at generere nøjagtige, detaljerede 3-D-billeder i rækkevidder på op til 30 kilometer. Det kan også bruges til deep-space kommunikation, hvor solens hårde blænding normalt ville overdøve fjerne laserimpulser.

Måske mest spændende, teknologien kunne også give forskerne et nærmere kig på de mest følsomme dele af menneskekroppen. Ved at muliggøre praktisk talt støjfri enkeltfoton-billeddannelse, Stevens billedbehandlingssystem vil hjælpe forskere med at skabe sprøde, meget detaljerede billeder af den menneskelige nethinde ved hjælp af næsten usynligt svage laserstråler, der ikke vil beskadige øjets følsomme væv.

"Enkeltfotonbilledfeltet blomstrer, " sagde Huang. "Men det er længe siden, vi har set så stort et skridt fremad i støjreduktion, og de fordele, det kan give så mange teknologier. "