鬼成像真神

高峰

在中科院上海光學(xué)與精密機(jī)械研究所，一群專注于量子光學(xué)的80后科學(xué)家研制出了世界上第一臺單像素三維照相機(jī)。用這臺相機(jī)拍照，可輕而易舉地獲取空間飛行器的全息圖像。這群年輕人做的，是利用光和電磁波的無規(guī)漲落性質(zhì)的成像——量子成像，俗稱“鬼成像”。

聽來有些嚇人，想去卻十分逼真。“鬼成像”是把自然界想象成一個由無數(shù)光子組成的量子場，這個場里的光子會不停漲落，每一個的狀態(tài)都能計算出來。因此，要得到圖像，不再需要依靠光線進(jìn)入成像鏡頭，只需要依靠反射光波能量的探測和計算，仿佛幽靈般可以靠意念洞察一切。

對于一般的相機(jī)來說，要給物體拍照，必須用光照射物體，使被照射物體散射或透射出大量光到感光元器件上，從而獲得物體的圖像。

然而在很多情況下，比如微光環(huán)境，相機(jī)的感光元件無法獲得大量的光。這時候要成像，有兩種辦法，一種是利用紅外線。任何比絕對零度（零下273攝氏度）溫度高的物體，都會向外輻射紅外線。基于這個原理，在相機(jī)內(nèi)設(shè)置接受紅外線感光器，就可實現(xiàn)紅外成像。

不過，紅外線相機(jī)無法穿透高溫?zé)熿F，這一缺陷在航天領(lǐng)域很致命，衛(wèi)星上的相機(jī)如果無法穿越云層，將不能及時反饋地表情況。

另一種微光成像技術(shù)就是量子成像。科學(xué)家對量子成像最早的認(rèn)識是半個世紀(jì)前，英國天體物理學(xué)家漢伯里·布朗和特威斯為獲得天體尺寸而開展的HBT實驗。兩人在試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一束光被分為兩束時，兩者的光強(qiáng)存在關(guān)聯(lián)性。這與當(dāng)時普遍認(rèn)為光子是不會相互影響的觀點(diǎn)相悖。該現(xiàn)象也被稱為“光子聚束效應(yīng)”。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，尤其是激光技術(shù)的突飛猛進(jìn)，1995年，美國馬里蘭大學(xué)首次完成了被稱為“鬼成像”的量子成像實驗。“鬼成像”就是在HBT實驗的基礎(chǔ)上，在一束光的光路內(nèi)放置物體，爾后對比兩束光的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，隨后可得到放置物體的圖像。

早期的量子成像必須在特定的光源下進(jìn)行，而且只能得到物體的輪廓。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，以及量子關(guān)聯(lián)算法的優(yōu)化，目前的量子成像已經(jīng)能在自然光源下，得到物體清晰的圖像。

除了在航天領(lǐng)域，量子成像與醫(yī)療也息息相關(guān)。

2015年4月，由英國約克大學(xué)量子信息科學(xué)家開發(fā)出一種適用于人體的量子照相機(jī)。這臺量子照相機(jī)是個混合系統(tǒng)，能利用微波與光束之間的量子相關(guān)性來探測物體，精準(zhǔn)的尋找到癌細(xì)胞這類低反射率目標(biāo)或出現(xiàn)增生的骨骼等。

從長遠(yuǎn)來看，這種量子雷達(dá)能以非入侵的方式檢查生物樣本或人類組織中是否存在缺陷。在醫(yī)療中，這些技術(shù)可用在磁共振成像中，降低病人身體吸收的輻射劑量。