隔墙观物的黑科技，是怎样炼成的？ | 袁岚峰
关注风云之声
提升思维层次
导读
如果你记住了“三次散射”，你的知识水平就超过了90%的人。
视频链接：
西瓜视频：
https://www.ixigua.com/6941303877815927335
本视频发布于2021年3月19日，播放量已近30万
精彩呈现：
设想一下这样的场景：有个恐怖分子躲在一个房间里，特警队员看不见他。但你掏出一个光学装置，一下子就确定了他的位置和姿势。然后神兵天降，抓获了恐怖分子。
这样的黑科技，最近变得接近现实了。2021年3月4日，中国科学技术大学潘建伟院士、窦贤康院士、徐飞虎教授等人在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表了一篇文章《1.43公里的非视域成像》（Non–line-of-sight imaging over 1.43 km），讲的就是这个“隔墙观物”。
这个消息引起了轰动。不过对我来说，倒是一点都不意外。因为几个月以前，徐飞虎就跟我讲过他们的这个研究（单光子相机：怎样进行“隔墙观物” | 徐飞虎）。他们当时是在投稿，现在终于发出来了。
“隔墙观物”这项黑科技，究竟是怎样炼成的？下面，我们就来解释一下。
首先，这项技术并不是穿墙透视。许多人担心自己穿什么衣服都挡不住透视，其实它并不是干这个的，那是X光、太赫兹等技术干的事。这项工作的学术名称，叫做“非视域成像”或者“非视距成像”。
所谓视域，就是由光线直线传播决定的能够看见的范围。例如那里有堵墙，我们就看不见墙后面的场景了。
非视域成像，就是看到直线传播范围之外的物体，也就是“我的视线会拐弯”。如何做到呢？还是因为那里有堵墙。我们把墙当作镜子！
在很多影视作品中，都有通过镜子看到视线之外物体的情节。例如李小龙的代表作《龙争虎斗》，经典情节就是在一个充满镜子的房间中的打斗。
为什么我们平时不能用墙壁成像？因为镜子发生的是镜面反射，从一个方向来的光会被确定地反射到另一个方向，所以可以成很清晰的像。而墙发生的是漫反射，从一个方向来的光会被散漫地反射到很多方向，每一个方向的光强都比原来低得多，所以成不了像。
有一个成语“磨砖成镜”，来自佛教书籍《景德传灯录》：“磨砖岂能成镜邪？”意思就是磨砖成不了镜子，单凭坐禅苦修也成不了佛。
但潘建伟等人做的，正是要把砖当镜子来用，通过墙壁成像！特警抓住恐怖分子的时候，就可以告诉他：你身边的墙壁出卖了你。
这是怎么做到的呢？我来告诉大家一个关键词：三次散射（three bounces）。如果你记住了“三次散射”，你的知识水平就超过了90%的人。
看下面这个图，就会明白为什么需要三次散射。
首先，我们手里有一个激光器和一个探测器。激光器向墙上某一点，发出一个脉冲激光，它被墙壁散射。有些光子原路返回，被探测器接收到。有些光子被偏转，照向了隐藏的物体。大部分光子既没返回，也没撞到隐藏物体，就此消失了。这是第一次散射。
然后，照到隐藏物体上的光又被这个物体散射。大部分光子跑得没影了，少部分光子运气好，又被反射回墙壁。这是第二次散射。
最后，反射回墙壁的光子又被墙壁散射。大部分光子跑得没影了，少部分光子运气爆棚，居然又被反射回探测器，被我们探测到。这是第三次散射。
搞明白这个设置后，你会震惊得好像被闪电劈中。每一次散射都是一次撞大运的过程，大部分光子都是丢失的，只有少部分撞到了合适的光路上。假如撞上一次的概率是r，那么连续撞上三次的概率就是r的三次方。这是一个非常低的概率，就好比一个人三次被闪电劈中而不死的概率。我们居然是在以这样低的概率为基础在做测量，这是多么惊人的技术！
然而，有另一方面的原理使得这个技术成为可能，就是光的粒子性。也就是说，光是由一个个的光子组成的。大多数人可能都听过光子这个词，但没有意识到一束光里的光子多到什么程度。
实际上，单个光子的能量非常低。它等于普朗克常数h乘以光的频率ν，即
E = hν。
而普朗克常数是个非常小的量，约等于6.626 × 10-34焦耳·秒。
潘建伟等人用的激光波长λ = 1550纳米，即1.55 × 10-6米。它对应的频率是
ν = c/λ ≈ 1.92 × 1014赫兹。
这里的c是光速，约等于3 × 108米/秒。
因此，单个光子的能量E = hν ≈ 1.27 × 10-19焦耳。
潘建伟等人用的激光器功率是300毫瓦，那么每秒发出的能量是0.3焦耳。这个能量除以单个光子的能量，大约是2.36 × 1018，即236亿亿。每秒就发出百亿亿量级的光子！所以才能在三次撞大运之后，仍然有些幸存下来。
具体而言，文章中提到，一次操作时间大约是2秒，发出460亿亿个光子，其中有674个经过三次散射回来。
京剧《华容道》里，曹操83万人马下江南，被赤壁一把火烧得只剩一十八骑残兵败将。这个幸存率，其实还比三次散射高得多呢！
三次散射的光子身上，就携带了隐藏物体的信息。具体怎么解析出来呢？再请大家研究一下这个图。探测器收到了两种光子。
非视域成像原理示意图
一种是在第一次散射就回来的。比如说，它们跟出发时间隔2.7纳秒。这说明了什么？这说明，它在2.7纳秒的时间里，走过了探测器到墙壁激光点距离的两倍。由此可以算出，探测器到墙壁激光点的距离是40厘米。
另一种是经过三次散射才回来的。比如说，它们跟出发时间隔4.3纳秒。这又说明了什么？这说明，它在4.3纳秒的时间里，走过了探测器到墙壁激光点距离的两倍，再加上墙壁激光点到隐藏物体的距离的两倍。由此可以算出，墙壁激光点到隐藏物体的距离是24厘米。
很好，基本的信息都已经在这里了。不过要把这些距离信息转化成三维的图像，知道那个隐藏物体究竟是什么样子，还需要大量的数学建模。例如在论文图3里，他们分辨出了1.43公里外一个房间里的一个图像是一个人偶模型举着双手，又分辨出了另一个图像是一个大写字母H。
如果你担心自己遭到偷窥的话，我来解释一下。这相距1.43公里的两个位置，是科大上海研究院和上海的一个民宅。那个民宅是他们租用的，里面放的是做实验用的假人，没有偷窥任何人。
科大上海研究院，就是潘建伟研究组平时做实验的地方。不久前字节跳动给我拍了一个纪录片（“简单”的科普工作，还有价值吗？| 袁岚峰），其中有我在量子保密通信上海控制中心的镜头，那就是在科大上海研究院里面。
实际上，非视域成像本身并不是个新技术，它是在2009年由麻省理工学院媒体实验室的Kirmani等人提出的。但以前的成像距离只能做到1米左右，现在潘建伟等人把它推进到了1.43公里，一下子提高了三个数量级。这才是真正惊人的地方。
实现这样跨越式的进步，需要很多方面的技术突破共同配合。
例如，他们不但在黑夜可以实验，而且也验证了白天的可行性。用专业语言来说，有全天时成像的能力。
白天为什么会造成困难呢？在阳光下，不要说非视域成像了，普通的成像都可能会看不清，因为阳光的背景太强烈。那么这区区674个光子，如何保证不被阳光淹没？答案是要用1550纳米的波长，因为这个波长的光在太阳光中很少。
然而，这又带来新的问题：以前的单光子探测器对这个波长不适用。兵来将挡，水来土掩，他们又专门研制出适合这个波长的单光子探测器。
除此之外，他们还发展了双望远镜共聚焦光学系统，通过镀膜提高了望远镜的反射率，采用了最优化的扫描精度，发展了“凸优化”的算法等等。每一项进步都有大量的细节，这么多进步加起来，才实现了这三个量级的跨越。
俗话说：“内行看门道，外行看热闹。”看到一个黑科技，普通人只会对它的效果感到惊讶，而专家就会去关心技术细节，这才是真正的功力所在。
现在的量子科技，包括三大块：量子通信、量子计算和量子精密测量。非视域成像属于量子精密测量。除此之外，潘建伟研究组还在研发其他的量子精密测量技术。
例如窦贤康院士与张强教授合作研发的量子雷达，把大气风场的探测距离从2.6公里提高到了8公里（高空大气与量子雷达 | 窦贤康）。所谓大气风场，就是大气中每个位置有没有风，风速多少，向哪个方向刮。对风场的测量，有重要的民用价值和军用价值。
又如徐飞虎讲过另一个跟隔墙观物紧密关联的技术，叫做“雾里看花”（单光子相机：如何实现“雾里看花” | 徐飞虎）。效果是在雾霾下仍然能对几十公里外的物体成像，即超视距成像。那里的技术关键，同样是1550纳米的单光子探测器。一个像素以前需要接收到十亿个光子，而现在只需要接收到一个光子就行。
我以前做过很多量子通信与量子计算的科普。虽然我讲得已经十分透彻了，不过毕竟这些科技的原理比较高深，它们究竟实现了什么效果，许多人仍然搞不清楚。现在大家听到隔墙观物、雾里看花和量子雷达，立刻就明白这些东西很有用了吧？
实际上，所有这些成果在技术上都是相通的。例如无论是量子通信、量子计算还是量子精密测量，单光子探测器都是其中的一个关键。又如将自由空间量子通信实验中所用的望远镜收发技术，应用到目标探测，就实现了远距离激光雷达、测风雷达等等。
因此，量子信息研究组做的事情，并不是像魔术师从帽子里掏出兔子一样，突然掏出一个这个，突然掏出一个那个，而是长期默默地在发展各种技术，这些技术组合起来实现了各种为公众所知的效果。如果你懂得这个道理，你的知识水平就超过了99%的人。
不懂这个道理的人，就会闹出像下面这样的笑话。最近有一位网友，在我的微博（https://weibo.com/3710258141/K5JNDftNj）下面说：
“明显是浮夸、造假，潘建伟能这么频繁的有创新？原来是搞量子涉密传输的，怎么会在非视域成像也能快速成功？如果两者技术相近，则过去的信息里应该把两者一同介绍，但是过去没有。所以两者技术属于不同领域，潘建伟是神仙？我过去从来没有批判过潘建伟，现在要开始批判了。”
好吧，这真是充分地表现了“欲加之罪，何患无辞”！
最后，我想对大家说的是：量子科技正在蓬勃发展，学术界把它称为“第二次量子革命”。第一次量子革命指的是二十世纪初量子力学的创立。跟那时相比，现在的区别是我们具有了操纵单个量子的能力，隔墙观物、雾里看花、量子雷达等等就是代表。将来更神奇的科技，有待大家去创造。
背景简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。 责任编辑：孙远