Kvantna svojstva svjetla za 40000 puta jasnije slike

Znanstvenici Instituta tehnologije Stevens razvili su 3D sustav za obradu slika koji koristi kvantna svojstva svjetla kako bi stvorio slike 40.000 puta jasnije od sadašnjih tehnologija, otvarajući put do nikad viđenog LIDAR-ovog senzoriranja, detektiranja u autonomnim automobilima, komuniciranja iz dubokog svemira i medicinskog snimanja ljudske mrežnice oka.

Istraživanje pod vodstvom Yu-Ping Huanga, direktora Centra za kvantne znanosti i inženjerstvo na Stevensu, bavilo se starim problemom s Lidarom koji ispaljuje lasere na udaljene mete i potom detektira reflektirano svjetlo. 

Mada su detektori svjetla koji se koriste u tim sustavima dovoljno osjetljivi za stvaranje detaljnih slika iz samo nekoliko fotona, sitnih čestica svjetlosti koje se mogu kodirati informacijama, teško je razlikovati reflektirane fragmente laserske svjetlosti od svjetlije pozadinske svjetlosti, poput sunčevih zraka.

"Što su senzori osjetljiviji, sve više su osjetljivi na pozadinski šum", navodi Huang i kaže da je to bio problem koji su odlučili riješiti.

Tehnologija koju su razvili je prva stvarna demonstracija smanjenja pozadinskog šuma od jednog fotona primjenom metode zvane Quantum Parametric Mode Sorting, ili QPMS, koju je Huang i njegov tim prvi puta predložio u časopisu Nature 2017. godine. Za razliku od većine alata za filtriranje buke, koji se oslanjaju na softversko naknadno obrađivanje radi čišćenja bučnih slika, QPMS provjerava svjetlosne kvantne potpise egzotičnom nelinearnom optikom kako bi stvorio eksponencijalno čišću sliku na razini samog senzora.

Otkrivanje određenog fotona koji nosi informaciju usred pozadinske buke je poput pokušaja da se jedna snježna pahuljica istrgne iz mećave, ali upravo je to Huangov tim uspio učiniti. Huang i kolege opisuju metodu za utiskivanje specifičnih kvantnih svojstava na izlazni impuls laserske svjetlosti, a zatim filtriranje dolazne svjetlosti, tako da senzor registrira samo fotone koji odgovaraju kvantnim svojstvima.

Rezultat toga je sustav snimanja slika koji je nevjerojatno osjetljiv na fotone koji se vraćaju s cilja, ali istovremeno ignorira gotovo sve neželjene "bučne" fotone. Taj pristup daje oštre 3D slike čak i kada se svaki foton koji nosi signal uguši s 34 puta više bučnih fotona.

"Čišćenjem početne detekcije fotona, širimo granice preciznog 3D snimanja u bučnom okruženju", rekao je Patrick Rehain, doktorski kandidat i vodeći autor studije. "Pokazali smo da možemo smanjiti količinu buke za oko 40 000 puta bolje u odnosu na najbolje postojeće tehnologije snimanja."

U praktičnom smislu, QPMS redukcija šuma mogla bi omogućiti Lidaru da se koristi točnim, detaljnim 3D slikama u dometima do 30 kilometara. Pored toga mogao bi se koristiti i za komunikaciju iz svemira, u kojoj oštro blještavilo Sunca obično "guta" udaljene laserske impulse.

Tehnologija bi istraživačima mogla približiti i najosjetljivije dijelove ljudskog tijela. Omogućujući virtualno "noise-free" snimanje individualnog fotona, sustav bi mogao liječnicima pomoći u stvaranju oštrih i vrlo detaljnih slika ljudske mrežnice korištenjem gotovo nevidljivih blijedih laserskih zraka koje neće oštetiti osjetljivo tkivo oka.

Čitav znanstveni rad objavljen u publikaciji Nature Communications možete pronaći na ovoj poveznici.