I ricercatori dello Stevens Institute of Technology hanno creato un sistema di imaging 3D che utilizza le proprietà quantistiche della luce per creare immagini 40, 000 volte più nitide delle tecnologie attuali, aprendo la strada al rilevamento e al rilevamento LIDAR mai visti prima nelle auto a guida autonoma, sistemi di mappatura satellitare, comunicazioni nello spazio profondo e imaging medico della retina umana.

Il lavoro, guidato da Yuping Huang, direttore del Center for Quantum Science and Engineering di Stevens, affronta un problema vecchio di decenni con LIDAR, che spara laser su bersagli lontani, quindi rileva la luce riflessa. Sebbene i rilevatori di luce utilizzati in questi sistemi siano abbastanza sensibili da creare immagini dettagliate da pochi fotoni, minuscole particelle di luce che possono essere codificate con informazioni, è difficile differenziare i frammenti di luce laser riflessa dalla luce di sfondo più brillante come i raggi del sole.

"Più i nostri sensori diventano sensibili, più diventano sensibili al rumore di fondo, " disse Huang, il cui lavoro appare nel numero avanzato online del 17 febbraio di Comunicazioni sulla natura . "Questo è il problema che stiamo cercando di risolvere".

La tecnologia è la prima dimostrazione nel mondo reale della riduzione del rumore a singolo fotone utilizzando un metodo chiamato Quantum Parametric Mode Sorting, o QPMS, che è stato proposto per la prima volta da Huang e dal suo team in un 2017 Natura carta. A differenza della maggior parte degli strumenti di filtraggio del rumore, che si basano sulla post-elaborazione basata su software per ripulire le immagini rumorose, Il QPMS controlla le firme quantistiche della luce attraverso un'ottica non lineare esotica per creare un'immagine esponenzialmente più pulita a livello del sensore stesso.

Rilevare un fotone specifico che porta informazioni in mezzo al ruggito del rumore di fondo è come cercare di strappare un singolo fiocco di neve da una bufera di neve, ma è esattamente ciò che la squadra di Huang è riuscita a fare. Huang e colleghi descrivono un metodo per imprimere specifiche proprietà quantistiche su un impulso di luce laser in uscita, e quindi filtrare la luce in ingresso in modo che solo i fotoni con proprietà quantistiche corrispondenti vengano registrati dal sensore.

Il risultato:un sistema di imaging incredibilmente sensibile ai fotoni che ritornano dal suo obiettivo, ma questo ignora praticamente tutti i fotoni rumorosi indesiderati. L'approccio del team produce immagini 3D nitide anche quando ogni fotone che trasporta il segnale viene soffocato da 34 volte il numero di fotoni rumorosi.

"Ripulendo il rilevamento iniziale dei fotoni, stiamo spingendo i limiti dell'imaging 3D accurato in un ambiente rumoroso, " ha detto Patrick Rehain, un dottorando di Stevens e l'autore principale dello studio. "Abbiamo dimostrato che possiamo ridurre la quantità di rumore di circa 40, 000 volte meglio delle migliori tecnologie di imaging attuali."

Questo approccio basato sull'hardware potrebbe facilitare l'uso di LIDAR in ambienti rumorosi in cui non è possibile una post-elaborazione ad alta intensità di calcolo. La tecnologia potrebbe anche essere combinata con la riduzione del rumore basata su software per ottenere risultati ancora migliori. "Non stiamo cercando di competere con gli approcci computazionali:stiamo dando loro nuove piattaforme su cui lavorare, "Rehain ha detto.

In termini pratici, La riduzione del rumore QPMS potrebbe consentire di utilizzare LIDAR per generare dati precisi, immagini 3D dettagliate a distanze fino a 30 chilometri. Potrebbe anche essere usato per la comunicazione nello spazio profondo, dove il forte bagliore del sole normalmente sommergerebbe gli impulsi laser distanti.

Forse più eccitante, la tecnologia potrebbe anche dare ai ricercatori uno sguardo più da vicino alle parti più sensibili del corpo umano. Consentendo l'imaging a fotone singolo praticamente privo di rumore, il sistema di imaging Stevens aiuterà i ricercatori a creare immagini nitide, immagini altamente dettagliate della retina umana utilizzando raggi laser quasi invisibilmente deboli che non danneggiano i tessuti sensibili dell'occhio.

"Il campo dell'imaging a fotone singolo è in piena espansione, " ha detto Huang. "Ma è passato molto tempo da quando abbiamo visto un così grande passo avanti nella riduzione del rumore, e i benefici che potrebbe conferire a così tante tecnologie."