探索量子世界，美国将建成世界上最大的原子干涉仪
近日，斯坦福大学和美国能源部SLAC国家加速器实验室合作，提出了一个新的光场成像系统，可以一次性拍摄物体的多个视图：该设计能够对大小为1mm3的物体进行单次断层扫描，重建3维(3D)分布和无法从任何单一视角单独访问的特征。原子干涉实验中的冷原子云成像是这种新型设备的关键应用，增强的光收集、高景深和3D断层扫描重建可以为表征原子云提供新的技术[1]。
8月18日，研究成果以《用于冷原子云的增强集光的新型光场成像装置》为题[2]，发表在《仪器仪表杂志》上。
在芝加哥郊区、密歇根湖以西约34英里处的地面上有一个竖井，纵深约330英尺；该竖井是多年前为进行中微子实验而建造的：为了探索量子物理学的各个方面，科学家们将原子组放入真空管中，然后是激光束。
如今，科学家们将把竖井重新用于费米实验室的MAGIS-100项目[3]——“物质波原子梯度仪干涉传感器”项目，MAGIS-100将最先进的10米级原子干涉仪的成熟技术与世界上最好的原子钟技术相结合。除了启用新的量子实验之外，MAGIS-100还将为未来的千米级探测器提供开发平台，该探测器的灵敏度足以探测来自已知来源的引力波。
当MAGIS-100项目完成后，物理学家计划用它来探测隐藏的宝藏：暗物质，这被认为构成了宇宙大部分的、神秘不可见的东西；引力波，由黑洞碰撞等宇宙冲击引起的时空涟漪。他们希望通过观察雨滴大小的锶原子云上留下的量子特征，来找到这些以往难以捉摸的现象踪迹。
建成后，MAGIS-100原子干涉仪将成为世界上最大的。但它仍然缺少一个关键组件：一个合适的相机。
MAGIS-100原子干涉仪
02
新成像技术：最大限度捕获原子、保留方向信息
但实际上观察这些原子比我们想象的要棘手。为了完成类似的实验，迄今为止，物理学家一直依赖与智能手机上的相机相媲美的相机。虽然此类技术可能适用于日落或美味的食物拍摄，但它限制了物理学家在原子水平上可以看到的东西。
“手机相机/数码单反相机并不关心光从哪里传播：它捕捉光子的强度和波长反射的颜色，仅此而已。用此类相机为家人、城市天际线或大峡谷拍照，这一切都很好。但是对于研究原子，它还有很多不足之处。最重要的是，丢掉了很多光。”斯坦福大学物理学研究生、论文作者之一Murtaza Safdari说。
传统成像技术折叠视图。物体被放置在离镜头中心有一定距离的x，偏离镜头的焦平面（lens center），而焦平面离镜头有一定距离F。在物体和焦平面之间引入一个平面镜，产生一个位于焦平面上的虚拟物体，这个虚拟物体被镜头聚焦到传感器上。这限制了镜子的几何形状，优先收集光线会危及成像系统解决干涉条纹特征的能力，给原子干涉测量带来了挑战。
因此，研究小组创造了一种独特的相机装置，它依赖于一个“圆顶镜子”。额外的反射有助于他们看到什么光进入镜头，并判断某个光斑来自哪个角度。他们希望，这将使他们能够以前所未有的方式观察原子云。
为了一次实验获得尽可能多的信息，一种方法是设置多个摄像头，允许它们从多个角度拍摄照片、并拼接在一起以获得更详细的视图。尽管，这可以很好地通过五台相机配合使用；但是一些物理实验需要如此精确的测量，即使是一千个相机也可能无法做到这一点。因此，斯坦福的研究人员决定着手制作自己的系统来解决这个问题。“我们的想法基本上是：我们能否尝试并完全捕获尽可能多的信息，并保留方向信息？”Safdari说。
他们最终的原型由现成的和3D打印的组件制成，看起来像一个浅圆顶，内部点缀着一系列像镜子一样的小点。该图案似乎形成了一种有趣的同心圆错觉，但它经过精心计算，可以以最大限度增加照射到相机的光线。
成像演示器的概念验证3D模型。(a,b)镜子左边和右边的黑色部分分别是“前”板和“后”板。(c)放大图。(d)没有“前”板的放大图。
3D打印技术构建的相机原型（demonstrator）。
03
实现高清成像，有望应用于MAGIS-100项目
未来，团队希望将上述成像系统应用于MAGIS-100项目的拍摄对象——锶原子云。来自外部激光束的短暂闪光将从镜面点上散射开来，以无数个角度穿过云层。镜头会捕捉到所产生的反射，以及它们是如何与分子相互作用的、从哪些“点”上反弹下来。然后，根据这些信息，机器学习算法可以将原子云的三维结构拼接起来。目前，这种重建需要很多秒；在一个理想的世界里，它将仅需要几毫秒，甚至更少。但是，就像用于训练自动驾驶汽车适应周围世界的算法一样，研究人员认为，他们的计算机代码性能将得到改善。
虽然作者们还没来得及在原子上测试相机，但他们确实通过扫描一些适当大小的样品部件进行了尝试：3D打印的字母形状的碎片与他们打算使用的锶液滴大小相同。他们拍摄的照片非常清晰，他们可以找到小字母D、O和E与他们的预期设计不同的缺陷。
从测试对象的6000万像素图像中提取的训练视图，在一次拍摄中完成。
训练（真实）视图，与机器学习后重建的相应视图的比较。真实拍摄的图像和其生成的对应图像之间的结果几乎是相同的。
“对于像MAGIS-100这样的原子实验，这种设备与市场上的任何其他设备都是不同的。”加州SLAC国家加速器实验室的物理学家、斯坦福大学设备的共同创造者Ariel Schwartzman说：“最先进的只是照相机、商业相机和镜头。他们在照片设备目录中寻找能够同时从多个角度看到原子云的相机。”
参考链接：
[1]https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/17/08/P08021
[2]https://www.popsci.com/science/particle-physics-custom-camera/
[3]https://magis.fnal.gov/