量子成像:看穿战场迷雾的“慧眼”

  你听说过“鬼成像”吗?这个早在1995年就由美国马里兰大学完成的量子成像实验,正随着相关技术的发展日趋成熟,从奇思妙想加速成为现实。

  说起来,量子成像确实“有鬼”。这种有别于常规思维的新型成像方式,最大的特点就是实现了物像分离,因此得名“鬼成像”。现有的军事伪装技术,无论是隐藏坦克与士兵的烟雾弹,还是隐形战机或军舰上涂覆的高科技吸波材料,在“鬼成像”面前都是“小巫见大巫”。“鬼成像”不仅能够“明辨是非”,还能以前所未有的灵敏度,获取比传统探测手段更多的战场信息,或将成为未来战场“游戏规则”的改变者。

  扑朔迷离的“鬼成像”

  解释“鬼成像”之前,我们不妨看看“人成像”。据了解,人类获取的信息,有90%来自视觉,也就是物体本身发出或反射的光在我们的视网膜上所成的像。这种成像原理主要基于透镜成像,人眼的晶状体如同透镜,能在物体本身和我们“所见”上形成点与点的一一对应关系。随着信息技术的发展,如今广泛应用的数码相机等也多是利用透镜成像原理,进而成为我们生活中不可或缺的重要工具。

  作为量子光学的一个重要分支,量子成像并没有走透镜成像的“经典之路”,它的最大特点就是物像分离。量子成像能利用两个探测光路分别对物体的空间分布和强度分布进行探测,其中任何一路信息都无法单独成像,唯有两路信息共同探测,才能通过测量进行关联成像。这就好比我们在室外安装一个探测器后,只需要在室内再配置一个探测器进行采样,就可做到“不出门而尽知门外事”。正是这种打破常规的方式,才使得量子成像得名“鬼成像”。

  早在1995年,美国马里兰大学利用纠缠光子对,首次在实验中观察到了“鬼成像”。此后,人们陆续开展了基于量子纠缠光源与经典光源的“鬼成像”实验研究和理论探讨。近年来,研究人员通过提出“差分鬼成像”“机构化图像重构”等技术方案,大幅提高了量子成像的质量,甚至实现了对动态目标的成像。曾经扑朔迷离的“鬼成像”,如今正加速融入我们的生活。

  战场“透视眼”如何炼成

  无论是施放烟雾弹还是给隐形飞机“穿上”高科技吸波材料,都是防人不防“鬼”。仔细一想,量子成像其实一点都不“玄乎”,这种利用量子纠缠特性或光场强度关联获取物体信息的新型成像方式,有一双看穿战场上各类隐身方式的“慧眼”。

  2014年,美国陆军研究实验室进行了量子成像关键技术研究,研究人员对2.33公里外的目标进行成像实验,在低光照和气流紊乱情况下,获得了极为清晰的目标图像。同时,美军还开展了一系列量子成像侦察卫星相关技术研究,旨在进一步提升情报信息获取、侦察监视能力。

  以引发人们广泛关注的“鬼成像卫星”为例,这个未来战场的“透视眼”,能够识别和追踪空中隐身目标,一旦研制成功将颠覆侦察与反侦察的战场“游戏规则”。量子成像卫星有两个摄像头,一个用于瞄准感兴趣的目标区域,另一个用于测量环境中的光场变化,通过合并分析两个摄像头采集的信息,就可以得出隐形目标的图像。量子成像可以从广泛的光谱中收集数据,因此对人眼而言,量子成像产生的图像比雷达图像看起来更加“自然”。

  量子成像不仅拥有洞察战场态势的高灵敏度“慧眼”,还具有集各类“智慧”于一身的诸多优势。量子成像对光源的要求其实没那么严苛,太阳、月亮甚至荧光灯都可以用来照亮目标。只要参照物发出的光足够强,即便是很微弱的光也可生成高质量的目标图像。传统光学成像常常因大气湍流发生随机散射,量子成像技术对大气湍流等具有“天生”的“免疫力”。

  量子成像还拥有灵敏的“嗅觉”。研究表明,量子成像技术除可识别目标的物理性质外,还能辨别出化学成分。这就意味着,即便是在机场放置战斗机形状的诱饵或隐藏在伪装网下的导弹发射装置,同样逃不出量子成像技术的精准探测。

  “大展身手”指日可待

  随着量子技术的飞速发展,量子通信、量子计算等逐渐成为当今时代的科技“热词”。量子成像作为量子技术的重要分支,已经逐步由实验室走向实际应用,并朝着高速、高质量成像的方向发展。或许在不久的将来,我们就能看到携带着量子成像仪器的士兵,透过战场上弥漫的硝烟辨清敌友、“明察秋毫”。

  目前,世界上已有十多个著名实验室在开展量子成像理论与技术研究。欧盟早在2001年就开始了“欧盟量子成像研究计划”,旨在对量子成像信息进行并行处理,并探索利用量子成像技术突破当前成像品质极限的方法。美国国家自然科学基金会、美国海军研究局、美国国防部高级研究计划局等相继投入大量资金开展量子成像研究,发力的重点正是这种改变“游戏规则”的颠覆性技术。

  经过20多年的发展,量子成像技术日渐成熟,未来将在战场成像、雷达探测等军事领域发挥重要作用。将量子成像应用于遥感探测,不仅能对各类目标进行识别,还具有成像速度快、抗侦察、抗干扰等诸多优势。量子成像技术与其他情报收集手段也能很好地融合,甚至可装配在无人机上用于评估战场破坏程度。

  在军事医学和搜救行动中,量子成像技术也可作为非相干X射线源,实现相关医学成像应用。同时,在量子保密通信、量子计算、量子断层扫描中,量子成像技术也有广泛的应用前景。

  当然,实现量子成像,目前还面临着许多技术上的难题。例如,在量子成像卫星上使用自然光源进行探测,对传感器性能具有极高要求;如果使用激光光源,则需要较大的功率才能探测到较远处的目标。