Onderzoekers van het Stevens Institute of Technology hebben een 3D-beeldvormingssysteem gemaakt dat de kwantumeigenschappen van licht gebruikt om afbeeldingen te maken 40, 000 keer scherper dan de huidige technologieën, de weg vrijmaken voor nooit eerder vertoonde LIDAR-detectie en -detectie in zelfrijdende auto's, satellietkaartsystemen, deep-space communicatie en medische beeldvorming van het menselijk netvlies.

Het werk, geleid door Yuping Huang, directeur van het Center for Quantum Science and Engineering in Stevens, lost een decennia oud probleem met LIDAR op, die lasers afvuurt op verre doelen, detecteert vervolgens het gereflecteerde licht. Hoewel de lichtdetectoren die in deze systemen worden gebruikt, gevoelig genoeg zijn om gedetailleerde beelden te maken van slechts een paar fotonen - minuscule lichtdeeltjes die kunnen worden gecodeerd met informatie - is het moeilijk om gereflecteerde fragmenten van laserlicht te onderscheiden van helderder achtergrondlicht zoals zonnestralen.

"Hoe gevoeliger onze sensoren worden, hoe gevoeliger ze worden voor achtergrondgeluid, " zei Huang, wiens werk verschijnt in het geavanceerde online nummer van 17 februari Natuurcommunicatie . "Dat is het probleem dat we nu proberen op te lossen."

De technologie is de eerste echte demonstratie van ruisonderdrukking van één foton met behulp van een methode genaamd Quantum Parametric Mode Sorting, of QPMS, die voor het eerst werd voorgesteld door Huang en zijn team in een 2017 Natuur papier. In tegenstelling tot de meeste tools voor het filteren van ruis, die afhankelijk zijn van op software gebaseerde nabewerking om afbeeldingen met ruis op te ruimen, QPMS controleert de kwantumsignaturen van licht door exotische niet-lineaire optica om een ​​exponentieel schoner beeld te creëren op het niveau van de sensor zelf.

Het detecteren van een specifiek informatiedragend foton te midden van het gebrul van achtergrondgeluid is als proberen een enkele sneeuwvlok uit een sneeuwstorm te plukken, maar dat is precies wat het team van Huang is gelukt. Huang en collega's beschrijven een methode voor het afdrukken van specifieke kwantumeigenschappen op een uitgaande puls van laserlicht, en vervolgens binnenkomend licht filteren zodat alleen fotonen met bijpassende kwantumeigenschappen door de sensor worden geregistreerd.

Het resultaat:een beeldvormingssysteem dat ongelooflijk gevoelig is voor fotonen die terugkeren van zijn doel, maar dat negeert vrijwel alle ongewenste luidruchtige fotonen. De aanpak van het team levert scherpe 3D-beelden op, zelfs wanneer elk signaaldragend foton wordt overstemd door 34 keer zoveel fotonen met ruis.

"Door de initiële fotondetectie op te schonen, we verleggen de grenzen van nauwkeurige 3D-beeldvorming in een lawaaierige omgeving, " zei Patrick Rehain, een Stevens-promovendus en de hoofdauteur van de studie. "We hebben aangetoond dat we de hoeveelheid ruis met ongeveer 40 kunnen verminderen, 000 keer beter dan de beste huidige beeldtechnologieën."

Die op hardware gebaseerde benadering zou het gebruik van LIDAR in rumoerige omgevingen kunnen vergemakkelijken waar rekenintensieve nabewerking niet mogelijk is. De technologie kan ook worden gecombineerd met op software gebaseerde ruisonderdrukking om nog betere resultaten te behalen. "We proberen niet te concurreren met computationele benaderingen - we geven ze nieuwe platforms om in te werken, ' zei Rehain.

In praktische termen, Met QPMS-ruisonderdrukking kan LIDAR worden gebruikt om nauwkeurige, gedetailleerde 3D-beelden met een bereik tot 30 kilometer. Het kan ook worden gebruikt voor communicatie in de diepe ruimte, waar de harde schittering van de zon gewoonlijk verre laserpulsen zou overstemmen.

Misschien wel het meest opwindende, de technologie zou onderzoekers ook een kijkje kunnen geven in de meest gevoelige delen van het menselijk lichaam. Door vrijwel ruisvrije beeldvorming met één foton mogelijk te maken, het Stevens-beeldvormingssysteem zal onderzoekers helpen om scherpe, zeer gedetailleerde beelden van het menselijk netvlies met behulp van bijna onzichtbaar zwakke laserstralen die de gevoelige weefsels van het oog niet beschadigen.

"Het beeldvormingsveld van één foton is booming, " zei Huang. "Maar het is lang geleden dat we zo'n grote stap voorwaarts hebben gezien in ruisonderdrukking, en de voordelen die het kan bieden aan zoveel technologieën."