单光子相机：怎样进行“隔墙观物” | 徐飞虎

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导读

一句话来概括就是，非视域单光子相机能拍摄到我们平时看不到的区域中的东西。

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。此为第二部分。

报告第一部分见：《单光子相机：如何实现“雾里看花” | 徐飞虎》

不止“雾里看花”，使用单光子相机我们还能实现“隔墙观物”。首先跟大家分享一段视频，是我们研究院的博士生拍摄的【本部分内容有多个小视频、动图演示，由于微信允许插入视频数目的限制，建议读者观看上方的演讲视频】。

隔墙观物，是通过“非视域单光子相机”来实现的。到底什么是非视域单光子相机？很简单，一句话来概括就是，非视域单光子相机能拍摄到我们平时看不到的区域中的东西。

比如在上图中，普通相机通过窗户只能看到墙上的信息，那么我们能不能寻找到一种方式，来看到房间里面的信息，包括椅子、书架等的相关信息。这些区域被墙挡住了，正常情况下你什么都看不到，所以我们是要实现“隔墙观物”，我们的相机叫做“非视域单光子相机”。

如何实现非视域单光子相机

使用的方法跟之前介绍的激光雷达或单光子雷达很接近，首先我们主动发一束光出去，通过墙和隐藏物体的多次漫反射，探测返回来的光子。下面具体看下光是怎么走的：激光首先打到墙上，经过漫反射过程而弥散到整个空间（第一次漫反射），然后再打到隐藏的物体上，再从隐藏的物体返回（第二次漫反射），然后再通过墙回来（第三次漫反射）。所以这跟前一部分介绍的内容不一样，前面只经过一次打到墙上就返回来了，而现在是一个“三次漫反射”过程。

非视域成像的重点是探测光的飞行时间。我们有很好的单光子探测手段，我们也可以记录光所飞行的时间，比如说第一次漫反射回来的光用了2.7纳秒，光的传播速度是3×10^8米/秒，通过飞行时间我们就可以计算出距离，40厘米。同样，我们可以测得其他相关距离信息。

知道了一个点的距离信息，再进行多个点的测量，就可以得到很多的隐藏物体反射回来的距离信息。通过多个点的扫描，同时对数据进行处理，我们就可以实现对隐藏物体的重构。

给大家举个例子，左边是我们实验上测到的一些实验数据，可以看到，纵轴是时间，随着时间走，我们可以看到隐藏的物体会有光子回来，是呈环状的。再看右边我们算法处理的结果，跟真实的图像（一个雕塑和一个花坛）对比，基本上我们可以把大体的图像信息呈现出来。

非视域成像有什么用

现在大家做的很多的无人车导航，还有在生物领域，我们需要对肠道等人体内部进行探测，非视域探测都有用武之地。对于反恐侦查，也会有很多相关的应用。由于这些应用，我们努力的去发展非视域成像技术。

接下来跟大家分享一个工作：我们怎么样做得更远，实现1.4公里的非视域成像。这个实验也是在上海做的。这是一个简单的视频介绍【请观看文前演讲视频】。实验主要就是在我们中国科大上海研究院完成的，我们的目标是对1.4公里外的一个民宅的房间进行非视域成像。我们租了一个民宅，没有去偷看别人啊。我们想探测的是墙里面到底躲的是什么东西，或者说我们要实现Non-Line-of-Sight，非视域成像。

这是我们的光学系统图，主要有一个发送端系统，一个探测端系统。发送端用的是激光，探测端用的是单光子探测器。当然我们还有很多相关的激光技术，由于时间关系，没办法来展开讲了。

这边我们还是用一个人偶模特，基本的姿态是这样的，两手举起来。我们对它进行成像。先看一下光是怎么走的：我从A地发一束光出去，然后经过1.43公里的链路，到B地处隐藏的白墙上，然后经过三次漫反射过程。光会随着信道回来，一个是第一次漫反射的光，一个是第三次漫反射的光，回来之后会进入我们的望远镜系统，最后用我们的单光子探测器进行测量。

当然，我们实验上不只探一个点，我们也会进行扫描，对多个点进行探测，扫描之后我们就会得到很多的信息，这样就可以用我们的算法进行处理和计算。

算法处理之后，基本上可以大体上识别出是一个人把两手举起来，和真实的图像还是相当匹配的。我们也试了一些其他的场景，包括字母。我们也试了很多不同的字母，比如说这里展示的字母H。

我们不仅能够成像，我们还能够对房间里运动的人，实时地进行位置追踪，即非视域追踪。这是我们展示的一个实时的实验结果【请观看文前演讲视频】。

前面讲的是简单的一个人或者一个字母，很多团队也做了复杂场景的非视域成像。这是我们真实的一个图像，包括很多复杂的物体，包括龙、雕像，还有书架，右面是实验上得到的一个原始的数据，还没有进行过处理【动图，请观看文前演讲视频】。对图像进行处理便得到下图，我们可以看到，即使相对复杂的场景或者复杂的图像，我们同样可以应用非视域单光子相机的方法，把相关的图像给重构出来。

总结

最后我们总结一下，成像是一个古老又全新的技术，墨子发明了小孔成像，这是所有成像系统的一个最基本的原理。到近代，伽利略发明了望远镜，能够让我们看得更远，能够让我们有机会去仰望整个星空。到现代，我们有了显微成像，可以看见细胞、分子，现在医学的核磁共振、CT可以让我们把人体看得更清楚。到近期，我们发展了单光子相机。

那么未来成像技术怎么发展？我相信未来属于在座的以及网络上观看我们活动的小朋友和同学，需要你们去努力的学好相关的基础知识，努力地把自己的作业做好，这样你们才有机会、才有能力去发展更新的成像技术，从而服务于大众，造福于人类。

好，最后谢谢大家！请大家保持微笑，我们的相机可能在偷看你。

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8日发表于微信公众号 墨子沙龙（单光子相机：怎样进行“隔墙观物”），风云之声获授权转载。

责任编辑：祝阳