鬼眼透视破“隐形”.doc

1、鬼眼透视破“隐形”如果你经常乘飞机出行，那么一定遇到过因为天气原因导致的延误、迫降甚至返航。绝大多数此类“天气原因”都是能见度问题。这不禁让人感慨，如果飞行员有穿云破雾的通天神眼该多好？ 由中科院上海光学与精密机械研究所发明的强度关联遥感成像设备（以下简称“鬼眼相机” ）就是这样一只神眼。它利用基于量子光学的“鬼成像”技术，不论在雾天、雨天还是夜间，都能实现远距离高分辨率成像。 “量子纠缠” 20 世纪初兴起的量子力学，是人们探索微观物质世界的“路线图” 。运用量子力学法则可以推导出一种观点两个暂时相互作用的粒子，分隔开后仍具有相互作用的能力，这就是“量子纠缠”现象。 来想象一下小明的手里有两

2、个苹果，它们处于“量子纠缠”状态（当然这是不可能的） 。小明登上“东方明珠”塔顶层，把其中一个苹果奋力扔出，然后“咔嚓”一口将剩下的苹果咬掉一块儿。这时诡异的事发生了，被扔出去的那个苹果的相同部位立刻少掉一块。 是不是完全不合常理啊？没错，微观世界的很多现象要求我们必须抛弃常识，充分发挥想象力。 那么基于量子纠缠态原理的“鬼眼相机”是怎样工作的呢？我们再来看看小明吧这个颇有神通的小孩，其实是一个光源， “他”扔出的苹果就是光子（承载光的粒子） 。小明左手不断抛出的“苹果光子”全都径直飞入一台数码相机的成像传感器，而右手掷出的苹果光子纷纷砸中远在 1 公里之外的一尊雕像并被雕像反弹回来，这些回弹

3、的苹果光子当中有一部分钻进了一个“光子计数桶” 。这时一台与上述相机和“桶”相连的神奇计算机出现了，由于这两路苹果光子如前所述存在相互关联的量子纠缠关系，因此该计算机通过分析相机成像传感器中的光线空间分布初始信息，以及计数桶报告的光强度变化信息，就能展开魔法般高深的数学分析，进而合成一张显现雕像身影的二维照片，这便是“鬼成像” 。在中国科学家制成的“鬼眼相机”中，一束波长 532 纳米的绿色激光穿过旋转的磨砂玻璃并形成一个“小明”光源，其扩散的激光在分光镜中兵分两路，一路进入相机的数码成像传感器，另一路向着被拍摄物直扑而去 以后的事情便如小明左右开弓扔苹果的大结局一样。 但如果只是这样可不算发

4、明啊！真正让中国科学家扬眉吐气的，是他们对这个鬼眼系统进行了改进：让激光以短脉冲形式发出，并在激光返回时，以 4 纳秒为间隔不断接通、关闭“光子计数桶” 。由于雕像细部凹凸不平，反射回的激光有先有后，因此在不同的纳秒时间点上像切片一样截获二维图像信息后，再把所有二维信息叠加起来，就能获得一张三维照片，由此中国科学家造出了世界上第一台三维“鬼眼相机” 。 在距离目标物 1 千米时，这台相机的二维平面分辨率达 25 厘米，三维深度分辨率为 60 厘米。但这只是个实验原型机，当该技术真正投入使用时，可以预见其分辨率将大幅提高，与“千里眼”相比也不遑多让。 鬼眼透视“效果图” 早先科学界认为，只有基于

5、纠缠态双光子的纠缠光源，才能实现“鬼成像” 。但持续研究显示，白炽灯甚至太阳等热光源也可以用于鬼成像。也就是说，在相关技术未来成熟的情况下，假设你就是一台“鬼眼相机” ，当有飞机飞过你家楼顶时，你不需要抬头看飞机，只要看着太阳（太阳在这里就是热光源）的同时，用配套仪器检测室内光线的强度变化（计算从太阳照到飞机上，再反射到室内的光子） ，就能“算”出这是一架国航的波音还是南航的空客。由此鬼成像的应用潜力足以激发我们的无限憧憬。 正如开篇所说，恶劣天气导致低能见度下飞机无法降落。但采用激光光源的“鬼眼相机”是主动发光的，相比人眼和传统光学相机等被动感光系统，前者在雾天、雨天和夜晚的成像能力要好很多

6、。因此如果飞机上装备“鬼眼相机” ，它就能帮助飞行员穿云破雾看清跑道，从而安全降落。这样一来，由于“能见度低”导致的航班延误就会消失。 还记得多年前小伙伴们挤在电脑前，争相用谷歌地图看自己家长啥样的情景吗？如果你家在卫星拍照时正好被一片云挡住，不就太扫兴了嘛。假如谷歌在未来采用三维“鬼眼相机”进行航拍，不但可以让谷歌地图无视云层的存在，还可针对地面建筑物直接构建三维模型，也就用不着像几年前那样急着买下 SketchUp 3D 绘图软件，再发动全世界人民一起为身边的大楼建模了。 那么鬼眼相机是否真像媒体宣传的那样能让隐形战机无所遁形呢？原则上来说，是的。只要对其隐形伎俩稍有了解便会发现，原来 F

7、-117之流只能让使用无线电的雷达看不见而已，只要它们飞到我们头顶上，便和所有其他飞机一样用你的双眼就可以看得清清楚楚。因此在打破 F-117 隐形神话这件事上，使用可见光而不是无线电的“鬼眼相机”就像你的眼睛一样，只不过看得更远，分辨率更高，在几公里之外就能将这种名不副实的隐形飞机看得真真切切。 山姆大叔在看你 在与“鬼成像”相关的诸多可用光源中，有一种光源的应用前景尤其值得说道说道，这便是贝塞尔光。 早在 2009 年，美国陆军研究实验室的罗纳德迈耶斯就运用上述相同原理成功拍摄了二维“鬼成像”照片，因此这位罗爷也就成了“鬼成像”领域的泰山北斗级人物。他最著名的成就之一是用一种特殊类型的激光

8、贝塞尔光来做虚拟“鬼成像” （即只具备部分“鬼成像”特征的一种方法） 。 贝塞尔光具有非常强的内相关性，会形成一系列同心圆图案，即使在其传播过程中有一部分光被障碍物阻挡了，过后也能如“自愈”般重新组合在一起。在用于“鬼成像”时，只要有足够多的贝塞尔光子到达目的地，并返回进入光子计数桶，就能复原目标的图像。 一旦这种技术达到实用水平，就能使贝塞尔光穿越浓烟、浑水甚至挡在面前的障碍物，得到的成像结果仍然可以辨认。 当美国大兵站在阿富汗沙漠的中央，面对硝烟弥漫的战场，他完全无法判断向他靠近的那个人影是撤退的友军、打酱油的平民还是塔利班的武装分子，因此也闹出了不少乌龙。如果这名士兵有一副虚拟“鬼成像”

9、眼镜，戴上之后除了外观霸气侧漏之外，相信战争中的误伤将会大幅减少。 美军作为世界上最先进的军队，对自身的信息采集处理能力自然要求非常高。虚拟”鬼成像”则是美军的 ISR（情报/监视/侦查）系统里最有前途的未来科技之一。如果简单理解，ISR 系统基本上就是军用版谷歌地图，其目标是在卫星和飞机的合作下看清地面上所有细节。但目前的ISR 系统和谷歌地图一样，受到了数据融合难、数据采集效率低等等诸多困难的限制。但如果未来运用虚拟“鬼成像”技术，只需在少量卫星和飞机上安装足够的光子计数桶，用太阳光作为光源，在理论上就可以轻易获取整个战场的全部细节图片，绝无漏网。到那时，无论你在地球的哪个旮旯里，山姆大叔都会盯着你。 当然从另一个角度说，虚拟“鬼成像”技术的和平应用前景也很看好。例如身为物理学家的罗纳德迈耶斯甚至认为，由于贝塞尔光具有超强恢复力，因此未来有望向人体组织发射红色贝塞尔光，来取代 X 光对人体进行医学检查。虽然这个技术听起来像当下热映影片“2154 年极乐空间”中的医疗机那样遥远，不过一旦该技术成真，在未来的医院里，人们就能既享有 X 光检查带来的好处，又避免放射性射线对人体的伤害了。 （本文作者为科普作家）