单光子相机：如何实现“雾里看花” | 徐飞虎

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导读

我们的单光子相机不仅能够实现“雾里看花”，同时也能够实现多一个维度的成像，我们叫它“三维成像”。

本文整理自墨子沙龙“未来趋势：量子互联网”活动（2020年8月25日）徐飞虎教授的报告。

从两个实验说起

45公里实验

一个是2018年8月我们在上海做的实验。我们搭建了一个单光子相机系统，把它搬到了崇明岛上。我们的目标是对45公里外的浦东民航大厦进行拍照。为了完成这个实验，我们在崇明岛租了一个宾馆，然后把我们的系统搬到了宾馆的大概20层上，因为站得高才能望得远。我们先做了一个对比实验，我们选的是商用能买到的最好的天文望远镜，同时结合一台佳能相机，对浦东民航大厦进行拍摄。在2018年8月，雾霾是非常严重的，所以用最好的天文望远镜和佳能相机，我们拍到的也只是一个非常模糊的图像。而用我们单光子相机拍摄，我们可以很清楚地看到了一个大楼的轮廓。

22公里实验

第二个实验，我们选的另一个目标也是在上海：购物中心K11。我们在22公里外对K11进行拍摄，同样我们用最好的天文望远镜和相机进行比对拍摄，即使是22公里，由于雾霾的影响，我们也基本上什么都看不到。然后用我们的单光子相机，拍摄结果见上图中间插图。

对比一下K11真实的图像，可见单光子相机很清楚地呈现出K11的整体面貌。这里我再强调一下，我们的相机不仅能拍出图像，而且这幅图像还是三维的：在我今天的报告里，所有不同的颜色，其实是告诉我们这个东西离我有多远，比如说红色就是离我们远一些，而蓝色离我们近一些。所以我们的单光子相机不仅能够实现“雾里看花”，同时也能够实现多一个维度的成像，我们叫它“三维成像”。

什么是单光子相机？

那么我们是怎么做到的呢？一个核心技术就是我们发展的远距离单光子相机。远距离单光子相机的核心是激光成像雷达技术以及在量子信息里发展出的高精度单光子探测技术。

那么激光雷达是一个什么原理？我们主动发一束光，打到建筑物上——任何的建筑物，比如说激光笔打到墙上。通过漫反射过程，必然有光子被反射回来，我们通过探测器来接收反射回来的光子。我们发射很多很多个脉冲，就会收到很多很多个反射回来的光子。

最终对于每一个点，我们收到一个这样的柱状图。

你会看到一个小峰，由这个小峰的时间和发射时间之差，我们就知道光的飞行时间。通过光的飞行时间，我们就可以算出建筑物某一点离我们有多远。而通过收集到的光子数的多少，我们就知道这个建筑物是黑色的还是白色的。然后我们进行逐点扫描，一个点一个点扫下去，最终就可以得到一个三维的图像。这是传统的激光雷达。

传统的激光雷达有什么问题呢？传统的激光雷达用的是传统的探测器，比如我们手机、相机用的都是传统的光电探测器。其灵敏度是受限制的，每一个点至少要探测1nW这样的光强，或者说换算成光子，大概10^9个光子，才能够成一个点的信息。一幅图如果一万个像素点，就需要1万乘以10^9这么多光子，才能够得到一个清晰的图像。

传统的激光雷达对于平时的需求可能问题不大，但问题在于，如果目标离我们很远，就会带来很大问题。因为光的漫反射过程离得越远，返回来的光子数就变得越少，跟距离的平方成反比，当目标很远时，你可能只能探测到一两个光子，我们探测到的信号就会出现严重失真。如果用这样的信号，一个个点扫下来，就会得到一个非常、非常失真的图像，整个图像变得模糊，无法分辨。

我们的目标就是怎么样来实现远距离成像，同时即使在雾霾的条件下，也能实现对远距离目标的拍摄。我们想发展的就是单光子相机。一句话来概括，我们能不能用每个像素只探测一个光子来实现清晰的图像拍摄？单光子相机即每个像素只探测一个光子。

光的基本单元就是光量子，或者我们叫它光子、单光子。如果能做到每个像素只探测一个光子，我们在灵敏度上就有了一个巨大的飞跃——10^9到1的巨大飞跃。这样，就给探测距离和灵敏度带来一个新的飞跃，这是我们想做的事情。

单光子相机的两个关键

为了完成这件事情，我们会遇到很多难题，主要的难点是两个。第一，如何去捕获并且探测到一个回来的光子？这就需要我们很好、很高精尖的“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，我们如何来区分这些光子？并且每个像素只有一个光子，怎么进行图像重构？这就是我们面临的两个难点，一个是探测问题，一个是重构问题。

探测问题    针对探测问题，我们发展了一个高精尖的单光子相机系统，是我们在2018年搭建的，一开始讲到的那个实验，也是基于这套光学系统。

它有几个特点。一，我们采用的是近红外波段，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。这是第一点，我们选用的波段不同于普通相机。二，我们的单光子相机系统发展了很高的耦合效率，这样的话，回来的光子能够很好地收集到我们系统里，并且我们降低了它的噪音。三，光子收集进来之后，我们要进行探测，这是我们团队发展的基于铟镓砷材料的一个高精度的单光子探测器。最后，我们把系统做得非常集成，并且实现了高精度的扫描。

这就是我们系统的一个真实图片，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    这就需要单光子相机算法。在算法方面，我们在2016年做了一个实验，我们让每个像素点只探测一个光子，看在这种情况下，能不能对图像进行重构。

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

我们这个算法怎么工作的呢？大概分为三个步骤，因为很多观众都是小朋友或者高中、初中的同学，所以我就不进行介绍了。但是我想跟大家强调一点，这里面需要物理知识、数学知识、计算机知识，还有英语等知识。所以我希望在座的小朋友和同学将来如果对量子技术感兴趣，或者对成像技术感兴趣，一定要学好这几门知识，这样的话你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。

单光子相机实验

有了我们的相机，有了我们的算法，就可以去做实验了。我们的实验都在上海做的，我们选了很多不同的目标来验证我们的系统。接下来给大家分享两个例子。

第一个例子是我们做的一个8公里的系统。我们的目标是对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。目前因为我们发展的新算法，得到了一个最优的结果，大概每个像素点我只用大概两个光子。

不止我们在做这件事情，很多国内外的研究组都在做，包括麻省理工，斯坦福等等，因为未来对远距离拍摄和低能耗有很多需求，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。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。

扩展阅读：

作者介绍：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。2017年麻省理工学院归国开展工作，获评《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人“等。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。

背景简介：文章2020年9月7日发表于微信公众号 墨子沙龙（单光子相机：如何实现“雾里看花”），风云之声获授权转载。

责任编辑：祝阳