鬼眼透視破“隱形”

如果你經(jīng)常乘飛機(jī)出行，那么一定遇到過因?yàn)樘鞖庠驅(qū)е碌难诱`、迫降甚至返航。絕大多數(shù)此類“天氣原因”都是能見度問題。這不禁讓人感慨，如果飛行員有穿云破霧的通天神眼該多好？

由中科院上海光學(xué)與精密機(jī)械研究所發(fā)明的強(qiáng)度關(guān)聯(lián)遙感成像設(shè)備（以下簡稱“鬼眼相機(jī)”）就是這樣一只神眼。它利用基于量子光學(xué)的“鬼成像”技術(shù)，不論在霧天、雨天還是夜間，都能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高分辨率成像。

“量子糾纏”

20世紀(jì)初興起的量子力學(xué)，是人們探索微觀物質(zhì)世界的“路線圖”。運(yùn)用量子力學(xué)法則可以推導(dǎo)出一種觀點(diǎn)——兩個(gè)暫時(shí)相互作用的粒子，分隔開后仍具有相互作用的能力，這就是“量子糾纏”現(xiàn)象。

來想象一下——小明的手里有兩個(gè)蘋果，它們處于“量子糾纏”狀態(tài)（當(dāng)然這是不可能的）。小明登上“東方明珠”塔頂層，把其中一個(gè)蘋果奮力扔出，然后“咔嚓”一口將剩下的蘋果咬掉一塊兒。這時(shí)詭異的事發(fā)生了，被扔出去的那個(gè)蘋果的相同部位立刻少掉一塊。

是不是完全不合常理啊？沒錯(cuò)，微觀世界的很多現(xiàn)象要求我們必須拋棄常識(shí)，充分發(fā)揮想象力。

那么基于量子糾纏態(tài)原理的“鬼眼相機(jī)”是怎樣工作的呢？我們?cè)賮砜纯葱∶靼伞@個(gè)頗有神通的小孩，其實(shí)是一個(gè)光源，“他”扔出的蘋果就是光子（承載光的粒子）。小明左手不斷拋出的“蘋果光子”全都徑直飛入一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)的成像傳感器，而右手?jǐn)S出的蘋果光子紛紛砸中遠(yuǎn)在1公里之外的一尊雕像并被雕像反彈回來，這些回彈的蘋果光子當(dāng)中有一部分鉆進(jìn)了一個(gè)“光子計(jì)數(shù)桶”。這時(shí)一臺(tái)與上述相機(jī)和“桶”相連的神奇計(jì)算機(jī)出現(xiàn)了，由于這兩路蘋果光子如前所述存在相互關(guān)聯(lián)的量子糾纏關(guān)系，因此該計(jì)算機(jī)通過分析相機(jī)成像傳感器中的光線空間分布初始信息，以及計(jì)數(shù)桶報(bào)告的光強(qiáng)度變化信息，就能展開魔法般高深的數(shù)學(xué)分析，進(jìn)而合成一張顯現(xiàn)雕像身影的二維照片，這便是“鬼成像”。

在中國科學(xué)家制成的“鬼眼相機(jī)”中，一束波長532納米的綠色激光穿過旋轉(zhuǎn)的磨砂玻璃并形成一個(gè)“小明”光源，其擴(kuò)散的激光在分光鏡中兵分兩路，一路進(jìn)入相機(jī)的數(shù)碼成像傳感器，另一路向著被拍攝物直撲而去…… 以后的事情便如小明左右開弓扔蘋果的大結(jié)局一樣。

但如果只是這樣可不算發(fā)明啊！真正讓中國科學(xué)家揚(yáng)眉吐氣的，是他們對(duì)這個(gè)鬼眼系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)：讓激光以短脈沖形式發(fā)出，并在激光返回時(shí)，以4納秒為間隔不斷接通、關(guān)閉“光子計(jì)數(shù)桶”。由于雕像細(xì)部凹凸不平，反射回的激光有先有后，因此在不同的納秒時(shí)間點(diǎn)上像切片一樣截獲二維圖像信息后，再把所有二維信息疊加起來，就能獲得一張三維照片，由此中國科學(xué)家造出了世界上第一臺(tái)三維“鬼眼相機(jī)”。

在距離目標(biāo)物1千米時(shí)，這臺(tái)相機(jī)的二維平面分辨率達(dá)25厘米，三維深度分辨率為60厘米。但這只是個(gè)實(shí)驗(yàn)原型機(jī)，當(dāng)該技術(shù)真正投入使用時(shí)，可以預(yù)見其分辨率將大幅提高，與“千里眼”相比也不遑多讓。

鬼眼透視“效果圖”

早先科學(xué)界認(rèn)為，只有基于糾纏態(tài)雙光子的糾纏光源，才能實(shí)現(xiàn)“鬼成像”。但持續(xù)研究顯示，白熾燈甚至太陽等熱光源也可以用于鬼成像。也就是說，在相關(guān)技術(shù)未來成熟的情況下，假設(shè)你就是一臺(tái)“鬼眼相機(jī)”，當(dāng)有飛機(jī)飛過你家樓頂時(shí)，你不需要抬頭看飛機(jī)，只要看著太陽（太陽在這里就是熱光源）的同時(shí)，用配套儀器檢測(cè)室內(nèi)光線的強(qiáng)度變化（計(jì)算從太陽照到飛機(jī)上，再反射到室內(nèi)的光子），就能“算”出這是一架國航的波音還是南航的空客。由此鬼成像的應(yīng)用潛力足以激發(fā)我們的無限憧憬。

正如開篇所說，惡劣天氣導(dǎo)致低能見度下飛機(jī)無法降落。但采用激光光源的“鬼眼相機(jī)”是主動(dòng)發(fā)光的，相比人眼和傳統(tǒng)光學(xué)相機(jī)等被動(dòng)感光系統(tǒng)，前者在霧天、雨天和夜晚的成像能力要好很多。因此如果飛機(jī)上裝備“鬼眼相機(jī)”，它就能幫助飛行員穿云破霧看清跑道，從而安全降落。這樣一來，由于“能見度低”導(dǎo)致的航班延誤就會(huì)消失。

還記得多年前小伙伴們擠在電腦前，爭相用谷歌地圖看自己家長啥樣的情景嗎？如果你家在衛(wèi)星拍照時(shí)正好被一片云擋住，不就太掃興了嘛。假如谷歌在未來采用三維“鬼眼相機(jī)”進(jìn)行航拍，不但可以讓谷歌地圖無視云層的存在，還可針對(duì)地面建筑物直接構(gòu)建三維模型，也就用不著像幾年前那樣急著買下SketchUp 3D繪圖軟件，再發(fā)動(dòng)全世界人民一起為身邊的大樓建模了。

那么鬼眼相機(jī)是否真像媒體宣傳的那樣能讓隱形戰(zhàn)機(jī)無所遁形呢？原則上來說，是的。只要對(duì)其隱形伎倆稍有了解便會(huì)發(fā)現(xiàn)，原來F-117之流只能讓使用無線電的雷達(dá)看不見而已，只要它們飛到我們頭頂上，便和所有其他飛機(jī)一樣用你的雙眼就可以看得清清楚楚。因此在打破F-117隱形神話這件事上，使用可見光而不是無線電的“鬼眼相機(jī)”就像你的眼睛一樣，只不過看得更遠(yuǎn)，分辨率更高，在幾公里之外就能將這種名不副實(shí)的隱形飛機(jī)看得真真切切。

山姆大叔在看你

在與“鬼成像”相關(guān)的諸多可用光源中，有一種光源的應(yīng)用前景尤其值得說道說道，這便是貝塞爾光。

早在2009年，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的羅納德·邁耶斯就運(yùn)用上述相同原理成功拍攝了二維“鬼成像”照片，因此這位羅爺也就成了“鬼成像”領(lǐng)域的泰山北斗級(jí)人物。他最著名的成就之一是用一種特殊類型的激光——貝塞爾光來做虛擬“鬼成像”（即只具備部分“鬼成像”特征的一種方法）。

貝塞爾光具有非常強(qiáng)的內(nèi)相關(guān)性，會(huì)形成一系列同心圓圖案，即使在其傳播過程中有一部分光被障礙物阻擋了，過后也能如“自愈”般重新組合在一起。在用于“鬼成像”時(shí)，只要有足夠多的貝塞爾光子到達(dá)目的地，并返回進(jìn)入光子計(jì)數(shù)桶，就能復(fù)原目標(biāo)的圖像。

一旦這種技術(shù)達(dá)到實(shí)用水平，就能使貝塞爾光穿越濃煙、渾水甚至擋在面前的障礙物，得到的成像結(jié)果仍然可以辨認(rèn)。

當(dāng)美國大兵站在阿富汗沙漠的中央，面對(duì)硝煙彌漫的戰(zhàn)場，他完全無法判斷向他靠近的那個(gè)人影是撤退的友軍、打醬油的平民還是塔利班的武裝分子，因此也鬧出了不少烏龍。如果這名士兵有一副虛擬“鬼成像”眼鏡，戴上之后除了外觀霸氣側(cè)漏之外，相信戰(zhàn)爭中的誤傷將會(huì)大幅減少。

美軍作為世界上最先進(jìn)的軍隊(duì)，對(duì)自身的信息采集處理能力自然要求非常高。虛擬”鬼成像”則是美軍的ISR（情報(bào)/監(jiān)視/偵查）系統(tǒng)里最有前途的未來科技之一。如果簡單理解，ISR系統(tǒng)基本上就是軍用版谷歌地圖，其目標(biāo)是在衛(wèi)星和飛機(jī)的合作下看清地面上所有細(xì)節(jié)。但目前的ISR系統(tǒng)和谷歌地圖一樣，受到了數(shù)據(jù)融合難、數(shù)據(jù)采集效率低等等諸多困難的限制。但如果未來運(yùn)用虛擬“鬼成像”技術(shù)，只需在少量衛(wèi)星和飛機(jī)上安裝足夠的光子計(jì)數(shù)桶，用太陽光作為光源，在理論上就可以輕易獲取整個(gè)戰(zhàn)場的全部細(xì)節(jié)圖片，絕無漏網(wǎng)。到那時(shí)，無論你在地球的哪個(gè)旮旯里，山姆大叔都會(huì)盯著你。

當(dāng)然從另一個(gè)角度說，虛擬“鬼成像”技術(shù)的和平應(yīng)用前景也很看好。例如身為物理學(xué)家的羅納德·邁耶斯甚至認(rèn)為，由于貝塞爾光具有超強(qiáng)恢復(fù)力，因此未來有望向人體組織發(fā)射紅色貝塞爾光，來取代X光對(duì)人體進(jìn)行醫(yī)學(xué)檢查。雖然這個(gè)技術(shù)聽起來像當(dāng)下熱映影片“2154年極樂空間”中的醫(yī)療機(jī)那樣遙遠(yuǎn)，不過一旦該技術(shù)成真，在未來的醫(yī)院里，人們就能既享有X光檢查帶來的好處，又避免放射性射線對(duì)人體的傷害了。

（本文作者為科普作家）