Los investigadores del Instituto de Tecnología Stevens han creado un sistema de imágenes en 3-D que utiliza las propiedades cuánticas de la luz para crear imágenes 40, 000 veces más nítido que las tecnologías actuales, allanando el camino para la detección y detección LIDAR nunca antes vista en automóviles sin conductor, sistemas de cartografía por satélite, comunicaciones del espacio profundo e imágenes médicas de la retina humana.

La obra, dirigido por Yuping Huang, director del Centro de Ciencia e Ingeniería Cuántica de Stevens, aborda un problema de décadas con LIDAR, que dispara láseres a objetivos distantes, luego detecta la luz reflejada. Si bien los detectores de luz utilizados en estos sistemas son lo suficientemente sensibles como para crear imágenes detalladas a partir de unos pocos fotones (partículas minúsculas de luz que se pueden codificar con información), es difícil diferenciar los fragmentos reflejados de luz láser de la luz de fondo más brillante, como los rayos del sol.

"Cuanto más sensibles se vuelven nuestros sensores, cuanto más sensibles se vuelven al ruido de fondo, "dijo Huang, cuyo trabajo aparece en la edición avanzada en línea del 17 de febrero de Comunicaciones de la naturaleza . "Ese es el problema que ahora estamos tratando de resolver".

La tecnología es la primera demostración en el mundo real de la reducción de ruido de un solo fotón utilizando un método llamado Clasificación de modo paramétrico cuántico. o QPMS, que fue propuesto por primera vez por Huang y su equipo en un 2017 Naturaleza papel. A diferencia de la mayoría de las herramientas de filtrado de ruido, que se basan en el posprocesamiento basado en software para limpiar imágenes ruidosas, QPMS verifica las firmas cuánticas de la luz a través de ópticas no lineales exóticas para crear una imagen exponencialmente más limpia al nivel del sensor mismo.

Detectar un fotón portador de información específico en medio del rugido del ruido de fondo es como intentar arrancar un solo copo de nieve de una ventisca, pero eso es exactamente lo que el equipo de Huang ha logrado hacer. Huang y sus colegas describen un método para imprimir propiedades cuánticas específicas en un pulso saliente de luz láser, y luego filtrar la luz entrante para que solo los fotones con propiedades cuánticas coincidentes sean registrados por el sensor.

El resultado:un sistema de imágenes que es increíblemente sensible a los fotones que regresan de su objetivo, pero eso ignora virtualmente todos los fotones ruidosos no deseados. El enfoque del equipo produce imágenes nítidas en 3-D incluso cuando cada fotón portador de señales se ve ahogado por 34 veces más fotones ruidosos.

"Al limpiar la detección inicial de fotones, estamos superando los límites de la obtención de imágenes 3D precisas en un entorno ruidoso, "dijo Patrick Rehain, un candidato a doctorado de Stevens y autor principal del estudio. "Hemos demostrado que podemos reducir la cantidad de ruido en unos 40, 000 veces mejor que las principales tecnologías de imagen actuales ".

Ese enfoque basado en hardware podría facilitar el uso de LIDAR en entornos ruidosos donde no es posible el posprocesamiento computacionalmente intensivo. La tecnología también podría combinarse con la reducción de ruido basada en software para producir resultados aún mejores. "No estamos tratando de competir con los enfoques computacionales, les estamos brindando nuevas plataformas para trabajar, "Dijo Rehain.

En terminos practicos, La reducción de ruido QPMS podría permitir que LIDAR se utilice para generar Imágenes tridimensionales detalladas a distancias de hasta 30 kilómetros. También podría utilizarse para comunicaciones en el espacio profundo, donde el áspero resplandor del sol normalmente ahogaba los distantes pulsos de láser.

Quizás lo más emocionante, la tecnología también podría dar a los investigadores una mirada más cercana a las partes más sensibles del cuerpo humano. Al permitir imágenes de fotón único prácticamente sin ruido, El sistema de imágenes Stevens ayudará a los investigadores a crear imágenes nítidas, Imágenes muy detalladas de la retina humana que utilizan rayos láser casi invisibles que no dañan los tejidos sensibles del ojo.

"El campo de las imágenes de fotón único está en auge, ", dijo Huang." Pero ha pasado mucho tiempo desde que vimos un gran paso adelante en la reducción del ruido, y los beneficios que podría aportar a tantas tecnologías ".