Pesquisadores do Stevens Institute of Technology criaram um sistema de imagem 3-D que usa as propriedades quânticas da luz para criar imagens 40, 000 vezes mais nítido do que as tecnologias atuais, pavimentando o caminho para detecção e detecção LIDAR nunca antes vista em carros autônomos, sistemas de mapeamento de satélite, comunicações do espaço profundo e imagens médicas da retina humana.

O trabalho, liderado por Yuping Huang, diretor do Centro de Ciência e Engenharia Quântica em Stevens, trata de um problema de décadas com LIDAR, que dispara lasers em alvos distantes, em seguida, detecta a luz refletida. Embora os detectores de luz usados ​​nesses sistemas sejam sensíveis o suficiente para criar imagens detalhadas de apenas alguns fótons - partículas minúsculas de luz que podem ser codificadas com informações - é difícil diferenciar fragmentos refletidos de luz laser de luz de fundo mais brilhante, como raios de sol.

"Quanto mais sensíveis nossos sensores ficam, mais sensíveis eles se tornam ao ruído de fundo, "disse Huang, cujo trabalho aparece na edição online avançada de 17 de fevereiro da Nature Communications . "Esse é o problema que estamos tentando resolver."

A tecnologia é a primeira demonstração do mundo real de redução de ruído de fóton único usando um método chamado Classificação de Modo Paramétrico Quântico, ou QPMS, que foi proposto pela primeira vez por Huang e sua equipe em 2017 Natureza papel. Ao contrário da maioria das ferramentas de filtragem de ruído, que dependem de pós-processamento baseado em software para limpar imagens barulhentas, O QPMS verifica as assinaturas quânticas da luz por meio de óticas não lineares exóticas para criar uma imagem exponencialmente mais limpa no nível do próprio sensor.

Detectar um fóton contendo informações específicas em meio ao rugido do ruído de fundo é como tentar arrancar um único floco de neve de uma nevasca - mas é exatamente o que a equipe de Huang conseguiu fazer. Huang e colegas descrevem um método para imprimir propriedades quânticas específicas em um pulso de luz laser que sai, e, em seguida, filtrar a luz de entrada de modo que apenas fótons com propriedades quânticas correspondentes sejam registrados pelo sensor.

O resultado:um sistema de imagem incrivelmente sensível aos fótons que retornam de seu alvo, mas isso ignora virtualmente todos os fótons barulhentos indesejados. A abordagem da equipe produz imagens 3D nítidas, mesmo quando cada fóton portador de sinal é abafado por 34 vezes mais fótons ruidosos.

"Ao limpar a detecção inicial de fótons, estamos expandindo os limites da imagem 3D precisa em um ambiente barulhento, "disse Patrick Rehain, um candidato ao doutorado Stevens e autor principal do estudo. "Mostramos que podemos reduzir a quantidade de ruído em cerca de 40, 000 vezes melhor do que as principais tecnologias de imagem atuais. "

Essa abordagem baseada em hardware pode facilitar o uso de LIDAR em ambientes ruidosos, onde o pós-processamento computacionalmente intensivo não é possível. A tecnologia também pode ser combinada com a redução de ruído baseada em software para produzir resultados ainda melhores. "Não estamos tentando competir com abordagens computacionais - estamos dando a eles novas plataformas para trabalhar, "Rehain disse.

Em termos práticos, A redução de ruído QPMS pode permitir que o LIDAR seja usado para gerar dados precisos, imagens 3D detalhadas em intervalos de até 30 quilômetros. Também pode ser usado para comunicação no espaço profundo, onde o brilho forte do sol normalmente abafaria os pulsos de laser distantes.

Talvez o mais empolgante, a tecnologia também pode dar aos pesquisadores uma visão mais detalhada das partes mais sensíveis do corpo humano. Ao habilitar imagens de fóton único virtualmente sem ruído, o sistema de imagem Stevens ajudará os pesquisadores a criar nítidas, imagens altamente detalhadas da retina humana usando feixes de laser quase invisíveis que não danificam os tecidos sensíveis do olho.

"O campo de imagem de fóton único está crescendo, "disse Huang." Mas já se passou muito tempo desde que vimos um grande passo em frente na redução de ruído, e os benefícios que pode proporcionar a tantas tecnologias. "