量子相机：全黑环境中也能拍照
能在低光下捕捉图像的相机很快将变得更好，这已经不是什么秘密了。Glasgow大学的研究人员带动了这种趋势，创造了一种成像仪，每像素成像只需要不到一个光子。通过结合以下两个深奥的技术：光子预示和压缩成像，该团队在看起来几乎不可能实现的事情上，取得了一个突破。事实上，除了在其背后需要大量的数学和物理计算外，过程本身是相当简单和巧妙的。 上半年的怪异科学——预示成像，又被称为“鬼成像”，是基于所谓的预示光子成像的。使用一个被称为“自发参量下转换”（SPDC）的过程，在某些情况下将会产生成对的纠缠着量子的光子，然后分裂。大多数时候，当你发现其中一个光子，那么也可以检测到另一个光子。也就是说，第一个光子的探测“预示着”第二个光子的存在。
该团队的成像仪使用一个电子束分裂器，将其创建的每对光子中的其中一个，通过成像对象（相机仅仅递送了光子的对象创建图像），发送给一个非常敏感的单像素探测器，并发送其它的光子给高速相机。只有察觉到了来自目标对象的光子后，探测器才被激活。当一个光子到达后，探测器发送信号打开相机的快门，定位原来一对光子中另一个光子最终的路径，大约15纳秒完成拍摄。这段时间用来记录第二个“预示”光子的位置是足够长的，但是要阻止几乎所有背景噪音的进入，这个时间却显得太短。实质上，单像素探测器被认为是一种快门非常高速的相机，以至于它只能拍摄到通过目标对象的光子图像。为了允许快门释放信号的时间足够长，以至于能从相机探测器获得光子，光子路径上大约给相机增加了70纳秒的延迟线。 这就表示，预示光子获得了成像仪的光，仍然存在着来自光子泊松分布中不可避免的散粒噪声，每个像素成像需要差不多一个光子。压缩成像使成像仪能够处理这个噪音，并进一步推动边界，使得每像素只需要不到一个光子。通过依靠自然科学中固有的冗余信息，压缩成像利用频域信息（在某种情况下在图像上通过执行离散余弦变换（DCT）生成），来生成本质上不能直接捕捉的重建部分图像。 你可以通过下面这组由研究人员提供的图像，来了解压缩成像技术的好处。左边这幅图是使用约10000个光子捕获到的黄蜂翅膀图像。右边这幅图是在成像过程中通过频域信息处理过的重建版本，创建了原始对象的一个“最可能”的版本。
通过单光子成像黄蜂翅膀 这个神奇的相机不只是为了作秀。该团队还希望它能促进相机的发展，并应用在科学研究上，用来研究光敏性的主题，如某些生物标本。 译自： 本文版权属于研发埠所有，如需转载请注明出处！
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