Forskare vid Stevens Institute of Technology har skapat ett 3D-bildsystem som använder ljusets kvantegenskaper för att skapa bilder 40, 000 gånger skarpare än nuvarande teknik, banar väg för aldrig tidigare sett LIDAR-avkänning och upptäckt i självkörande bilar, satellitkartläggningssystem, djupt rymdkommunikation och medicinsk avbildning av den mänskliga näthinnan.

Arbetet, ledd av Yuping Huang, chef för Center for Quantum Science and Engineering på Stevens, tar upp ett decennier gammalt problem med LIDAR, som avfyrar lasrar mot avlägsna mål, detekterar sedan det reflekterade ljuset. Även om ljuddetektorer som används i dessa system är tillräckligt känsliga för att skapa detaljerade bilder från bara några fotoner - små partiklar av ljus som kan kodas med information - är det svårt att skilja reflekterade fragment av laserljus från starkare bakgrundsljus som solstrålar.

"Ju mer känsliga våra sensorer blir, ju mer känsliga de blir för bakgrundsljud, sa Huang, vars arbete visas i den 17 februari avancerade online -numret av Naturkommunikation . "Det är problemet vi nu försöker lösa."

Tekniken är den första verkliga demonstrationen av brusreducering av enfoton med en metod som kallas Quantum Parametric Mode Sorting, eller QPMS, som föreslogs först av Huang och hans team under 2017 Natur papper. Till skillnad från de flesta brusfiltreringsverktyg, som förlitar sig på mjukvarubaserad efterbehandling för att städa upp bullriga bilder, QPMS kontrollerar ljusets kvantsignaturer genom exotisk olinjär optik för att skapa en exponentiellt renare bild på nivån för själva sensorn.

Att upptäcka en specifik informationsbärande foton mitt i bakgrundsbrusets vrål är som att försöka plocka en enda snöflinga från en snöstorm-men det är precis vad Huangs team har lyckats göra. Huang och kollegor beskriver en metod för att prägla specifika kvantegenskaper på en utgående puls av laserljus, och sedan filtrera inkommande ljus så att endast fotoner med matchande kvantegenskaper registreras av sensorn.

Resultatet:ett bildsystem som är otroligt känsligt för fotoner som återvänder från sitt mål, men det ignorerar praktiskt taget alla oönskade bullriga fotoner. Teamets tillvägagångssätt ger skarpa 3D-bilder även när varje signalbärande foton dränks av 34 gånger så många bullriga fotoner.

"Genom att städa upp den första fotondetekteringen, vi skjuter gränserna för exakt 3D-avbildning i en bullrig miljö, "sa Patrick Rehain, en doktorand i Stevens och studiens huvudförfattare. "Vi har visat att vi kan minska mängden buller cirka 40, 000 gånger bättre än de bästa nuvarande bildteknikerna. "

Det hårdvarubaserade tillvägagångssättet skulle kunna underlätta användningen av LIDAR i bullriga inställningar där beräkningskrävande efterbehandling inte är möjlig. Tekniken kan också kombineras med mjukvarubaserad brusreducering för att ge ännu bättre resultat. "Vi försöker inte konkurrera med beräkningsmetoder - vi ger dem nya plattformar att arbeta i, Sa Rehain.

Rent praktiskt, Brusreducering med QPMS kan göra att LIDAR kan användas för att generera exakta, detaljerade 3D-bilder i avstånd på upp till 30 kilometer. Det kan också användas för kommunikation i rymden, där solens hårda bländning vanligtvis skulle dränka bort avlägsna laserpulser.

Kanske mest spännande, tekniken kan också ge forskarna en närmare titt på de känsligaste delarna av människokroppen. Genom att möjliggöra praktiskt taget brusfri enfotonbildning, Stevens bildsystem hjälper forskare att skapa skarpa, mycket detaljerade bilder av den mänskliga näthinnan med nästan osynligt svaga laserstrålar som inte skadar ögats känsliga vävnader.

"Bildfältet för enfoton blomstrar, "sa Huang." Men det är länge sedan vi har sett ett så stort steg framåt när det gäller bullerdämpning, och de fördelar det kan ge så många tekniker. "