国防科普加油站（41）关联成像：揭开“鬼成像”的神秘面纱

来源：互联网 2024-11-10 22:15:15 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们

看不到的物体，也能为拍出物体的照片？不可能吧，莫不是见到“鬼影子”了。其实，世上本无“鬼”，科学家只是将这种“离物成像”，通俗地称之为“鬼成像”。

“鬼成像”这一不雅的名字，起源于量子的纠缠特性――即两个有共同来源的微观粒子之间存在着高度关联的纠缠关系，爱因斯坦将其描述为“鬼魅般的超距作用”现象，也称其为“鬼魅般的量子纠缠”。上世纪末期，科学家利用量子的纠缠特性，通过研究与实验发明了“量子成像”，人们就通俗地称其为“鬼成像”。

有意思的是，随着研究的深入和实现方式的变换，受量子“纠缠”启发而诞生的新型成像技术，其称呼已由“量子成像”变为了名符其实的“关联成像”――一种神奇的、非直接式的关联成像技术。

“鬼魅般”纠缠，开启关联成像科学之门

量子是最小的、不可再分割的能量单位，量子体系的神奇特性是量子“叠加”与量子“纠缠”。后者可以使相互独立的粒子完全“纠缠”在一起，无论相隔多么遥远，当一个量子体系的状态发生变化，与之“纠缠”的另一个体系的测量结果就会表现出相应的变化。

图1 关联成像原理示意图

最早的关联成像研究，就是利用了量子“纠缠”特性，即用“纠缠光子对”来实现关联成像。因为，光子是目前最容易利用和操控的量子体系之一。“纠缠光子对”犹如一对心有灵犀的“孪生兄弟”，当其中一个光子捕捉到目标信息并进入单像素探测器时，那么，另一个光子，不论它在什么位置，其“孪生兄弟”的信息都能被测量出来，从而实现 “凭空”成像。由此可见，“鬼成像”是一种量子现象。

量子的“纠缠”特性，打开了探索关联成像的科学之门，但真正实现起来却非常难。因为，复杂的外部环境扰动，容易使微弱的纠缠态光子淹没在茫茫“噪声”中。

然而，科学之门一旦打开就不会轻易关上。科学家们在随后的研究与实验中发现：“纠缠光子对”在传播方向和照射位置上都存在非常紧密的联系。这种关联性极强的特点，让科学家茅塞顿开：如何利用方向与位置两个自由度之一的关联性，也许能实现关联成像。

真可谓“没有做不到，只有想不到”。本世纪初，科学家们运用最常见的热光实现了关联成像的重要突破。随后，脑洞大开的科学家又利用“赝热光”完成了关联成像实验。他们只需将激光打在旋转的毛玻璃上，使毛玻璃后的透射光形成“赝热光”，再利用赝热光场的涨落特性，居然极为便利地实现比“纠缠光子对”更好的成像效果。

从“纠缠”到“关联”，“鬼成像”终于褪去了其神秘的面纱，开始走入更广泛的应用场景。

穿云辨物，成像本领非凡

摄影是“光与影的艺术”，而被誉为“鬼成像”的关联成像，不仅是一种艺术，更是一种新兴的高技术。随着对这种成像机制研究的深入，其应用研究正进入一个蓬勃发展期。

与传统光学成像相比，关联成像具有“穿云辨物”、“明察秋毫”的成像本领，显示出无与伦比的独特优势。

灵敏度高，能对小目标远距离成像。传统成像中，目标回波能量分配到探测器的多个像素上，关联成像使用桶探测器进行强度收集，可突破传统光学的灵敏度极限。桶探测器只需记录总光强值，因而响应时间更快。在关联成像中，采用灵敏度高的单像素探测器，其探测灵敏度可以达到单光子水平，甚至在光子数小于1的条件下获得目标图像。这就大大降低了对照明光强度的要求，在生物医学成像、远距离侦察成像中有广阔的应用前景。

抗干扰强，可削弱成像链路的散射影响。传统摄影成像遇到恶劣环境，光场的畸变将导致成像质量大大折扣。而关联成像的光路探测器无需进行空间分辨，只需收集成像物体反射的总光强，这样就能抵抗能量衰减带来的部分干扰，即便是在环境恶劣中也能获得物体图像。此外，使用两路光场关联、成像重构的方法，也能在一定程度上消除成像过程中散射带来的影响。

单像素成像，可实现多个波段成像探测。传统成像由于没有成像透镜或是成熟的阵列探测器，它对微波、太赫兹波、X射线等波段，无法实现像光学波段的成像。而关联成像运用一个单像素探测器，结合光场调制就能做到无透镜成像，这为上述波段的成像探测提供了崭新的可行手段。

图2 三维量子关联成像

应用广泛，可望打造战场“火眼金睛”

不同于传统成像“看到”物才能成像不同，关联成像是通过“计算”成像，其无惧干扰、成像灵敏的特性和能力，使得它在感知、探测、安全等领域有着广泛的应用前景，在军事上有望成为未来战场“游戏规则”的改变者。

图3 关联成像效果图

可让隐形飞机“原形毕露”。在现代战争中，战斗机的隐身性能已成为空战的一大优势，它通过吸波材料和外形优化降低雷达波的反射截面，使雷达难以侦测发现，这是针对电磁波而言的。如果是光学波段条件，隐身飞机却难以隐身，而基于关联成像的探测系统则能够对隐身飞机弱回波信号进行有效收集和成像。未来，随着关联成像技术发展并胜于反隐身侦察，则可让隐身飞机现出原形。

能穿透战场硝烟迷雾。一般情况下，当光透过生物组织、烟尘和云雾等强散射介质时,传统的学成像就会显得“无能为力”，难以实现对目标的观测和成像。关联成像则只需要测量回波的强度，基本不受光的散射与畸变影响，从而实现抗散射成像。在战场复杂环境中，它可以能穿透战场硝烟迷雾，实现对战场的侦测成像。据报道，美军的关联成像系统研究，已能获得2公里外目标的清晰图像。

实现图像信息安全传输。图像信息的安全传输已经成为确保军事行动成功的关键。传统技术手段的图像信息在拦截、攻击下难以做到万无一失。由于关联成像是通过对两条光路的测量和计算获得的图像，且对图像的测量不能由光路或参考光路获取成像信息，这就大大增加了自身的保密性，如果在图像传输中嵌入密钥，那么，外人将很难破译，从而实现图像信息安全传输。

（作者：王握文、毛元昊、成昕、杜隆坤来源：国防科技大学“科普中国”共建基地）

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