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光子|单光子相机：怎样进行“隔墙观物”

整理自墨子沙龙“未来趋势：量子互联网”活动（2020年8月25日）徐飞虎教授的报告 。 此为第二部分 ， 报告第一部分见：单光子相机：如何实现“雾里看花” 。
不止“雾里看花” ， 使用单光子相机我们还能实现“隔墙观物” 。 首先跟大家分享一段视频 ， 是我们研究院的博士生拍摄的【本部分内容有多个小视频、动图演示 ， 由于微信允许插入视频数目的限制 ， 建议读者观看上方的演讲视频】 。
【光子|单光子相机：怎样进行“隔墙观物”】隔墙观物 ， 是通过“非视域单光子相机”来实现的 。 到底什么是非视域单光子相机？很简单 ， 一句话来概括就是 ， 非视域单光子相机能拍摄到我们平时看不到的区域中的东西 。
光子|单光子相机：怎样进行“隔墙观物”
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比如在上图中 ， 普通相机通过窗户只能看到墙上的信息 ， 那么我们能不能寻找到一种方式 ， 来看到房间里面的信息 ， 包括椅子、书架等的相关信息 。 这些区域被墙挡住了 ， 正常情况下你什么都看不到 ， 所以我们是要实现“隔墙观物” ， 我们的相机叫做“非视域单光子相机” 。
如何实现非视域单光子相机
光子|单光子相机：怎样进行“隔墙观物”
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使用的方法跟之前介绍的激光雷达或单光子雷达很接近 ， 首先我们主动发一束光出去 ， 通过墙和隐藏物体的多次漫反射 ， 探测返回来的光子 。 下面具体看下光是怎么走的：激光首先打到墙上 ， 经过漫反射过程而弥散到整个空间（第一次漫反射） ， 然后再打到隐藏的物体上 ， 再从隐藏的物体返回（第二次漫反射） ， 然后再通过墙回来（第三次漫反射） 。 所以这跟前一部分介绍的内容不一样 ， 前面只经过一次打到墙上就返回来了 ， 而现在是一个“三次漫反射”过程 。
非视域成像的重点是探测光的飞行时间 。 我们有很好的单光子探测手段 ， 我们也可以记录光所飞行的时间 ， 比如说第一次漫反射回来的光用了2.7纳秒 ， 光的传播速度是3×10^8米/秒 ， 通过飞行时间我们就可以计算出距离 ， 40厘米 。 同样 ， 我们可以测得其他相关距离信息 。
知道了一个点的距离信息 ， 再进行多个点的测量 ， 就可以得到很多的隐藏物体反射回来的距离信息 。 通过多个点的扫描 ， 同时对数据进行处理 ， 我们就可以实现对隐藏物体的重构 。
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给大家举个例子 ， 左边是我们实验上测到的一些实验数据 ， 可以看到 ， 纵轴是时间 ， 随着时间走 ， 我们可以看到隐藏的物体会有光子回来 ， 是呈环状的 。 再看右边我们算法处理的结果 ， 跟真实的图像（一个雕塑和一个花坛）对比 ， 基本上我们可以把大体的图像信息呈现出来 。
非视域成像有什么用
现在大家做的很多的无人车导航 ， 还有在生物领域 ， 我们需要对肠道等人体内部进行探测 ， 非视域探测都有用武之地 。 对于反恐侦查 ， 也会有很多相关的应用 。 由于这些应用 ， 我们努力的去发展非视域成像技术 。
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接下来跟大家分享一个工作：我们怎么样做得更远 ， 实现1.4公里的非视域成像 。 这个实验也是在上海做的 。 这是一个简单的视频介绍【请观看文前演讲视频】 。 实验主要就是在我们中国科大上海研究院完成的 ， 我们的目标是对1.4公里外的一个民宅的房间进行非视域成像 。 我们租了一个民宅 ， 没有去偷看别人啊 。 我们想探测的是墙里面到底躲的是什么东西 ， 或者说我们要实现Non-Line-of-Sight ， 非视域成像 。
光子|单光子相机：怎样进行“隔墙观物”
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这是我们的光学系统图 ， 主要有一个发送端系统 ， 一个探测端系统 。 发送端用的是激光 ， 探测端用的是单光子探测器 。 当然我们还有很多相关的激光技术 ， 由于时间关系 ， 没办法来展开讲了 。
这边我们还是用一个人偶模特 ， 基本的姿态是这样的 ， 两手举起来 。 我们对它进行成像 。 先看一下光是怎么走的：我从A地发一束光出去 ， 然后经过1.43公里的链路 ， 到B地处隐藏的白墙上 ， 然后经过三次漫反射过程 。 光会随着信道回来 ， 一个是第一次漫反射的光 ， 一个是第三次漫反射的光 ， 回来之后会进入我们的望远镜系统 ， 最后用我们的单光子探测器进行测量 。
当然 ， 我们实验上不只探一个点 ， 我们也会进行扫描 ， 对多个点进行探测 ， 扫描之后我们就会得到很多的信息 ， 这样就可以用我们的算法进行处理和计算 。
光子|单光子相机：怎样进行“隔墙观物”
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算法处理之后 ， 基本上可以大体上识别出是一个人把两手举起来 ， 和真实的图像还是相当匹配的 。 我们也试了一些其他的场景 ， 包括字母 。 我们也试了很多不同的字母 ， 比如说这里展示的字母H 。
我们不仅能够成像 ， 我们还能够对房间里运动的人 ， 实时地进行位置追踪 ， 即非视域追踪 。 这是我们展示的一个实时的实验结果【请观看文前演讲视频】 。
光子|单光子相机：怎样进行“隔墙观物”
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前面讲的是简单的一个人或者一个字母 ， 很多团队也做了复杂场景的非视域成像 。 这是我们真实的一个图像 ， 包括很多复杂的物体 ， 包括龙、雕像 ， 还有书架 ， 右面是实验上得到的一个原始的数据 ， 还没有进行过处理【动图 ， 请观看文前演讲视频】 。 对图像进行处理便得到下图 ， 我们可以看到 ， 即使相对复杂的场景或者复杂的图像 ， 我们同样可以应用非视域单光子相机的方法 ， 把相关的图像给重构出来 。
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总结
最后我们总结一下 ， 成像是一个古老又全新的技术 ， 墨子发明了小孔成像 ， 这是所有成像系统的一个最基本的原理 。 到近代 ， 伽利略发明了望远镜 ， 能够让我们看得更远 ， 能够让我们有机会去仰望整个星空 。 到现代 ， 我们有了显微成像 ， 可以看见细胞、分子 ， 现在医学的核磁共振、CT可以让我们把人体看得更清楚 。 到近期 ， 我们发展了单光子相机 。
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那么未来成像技术怎么发展？我相信未来属于在座的以及网络上观看我们活动的小朋友和同学 ， 需要你们去努力的学好相关的基础知识 ， 努力地把自己的作业做好 ， 这样你们才有机会、才有能力去发展更新的成像技术 ， 从而服务于大众 ， 造福于人类 。
好 ， 最后谢谢大家！请大家保持微笑 ， 我们的相机可能在偷看你 。
徐飞虎：多伦多大学博士 ， 中国科学技术大学教授、博士生导师 。 2017年麻省理工学院归国开展工作 ， 获评《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人“等 。 长期从事量子物理、信息学、计算机等学科的交叉研究 ， 致力于发展实用化量子信息技术 。
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墨子沙龙是以中国先贤“墨子”命名的大型公益性科普论坛 ， 由中国科学技术大学上海研究院主办 ， 中国科大新创校友基金会、中国科学技术大学教育基金会、浦东新区科学技术协会、中国科学技术协会及浦东新区科技和经济委员会等协办 。
墨子是我国古代著名的思想家、科学家 ， 其思想和成就是我国早期科学萌芽的体现 ， “墨子沙龙”的建立 ， 旨在传承、发扬科学传统 ， 建设崇尚科学的社会氛围 ， 提升公民科学素养 ， 倡导、弘扬科学精神 。 科普对象为热爱科学、有探索精神和好奇心的普通公众 ， 我们希望能让具有中学及以上学力的公众了解、欣赏到当下全球最尖端的科学进展、科学思想 。
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