Investigadores del Stevens Institute of Technology han creado un sistema de imágenes en 3D que utiliza las propiedades cuánticas de la luz para crear imágenes 40,000 veces más nítidas que las tecnologías actuales, allanando el camino para la detección y detección LIDAR nunca antes vista en automóviles sin conductor, sistemas de mapas satelitales, comunicaciones en el espacio profundo e imágenes médicas de la retina humana.
El trabajo, dirigido por Yuping Huang, director del Centro de Ciencia e Ingeniería Cuántica en Stevens, aborda un problema de décadas con LIDAR, que dispara rayos láser a objetivos distantes, luego detecta la luz reflejada. Mientras se usan detectores de luz en estos sistemasson lo suficientemente sensibles como para crear imágenes detalladas a partir de unos pocos fotones minúsculas partículas de luz que pueden codificarse con información, es difícil diferenciar los fragmentos reflejados de la luz láser de la luz de fondo más brillante, como los rayos de sol.
"Cuanto más sensibles se vuelven nuestros sensores, más sensibles se vuelven al ruido de fondo", dijo Huang, cuyo trabajo aparece en la edición en línea avanzada 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 artículo de Nature de 2017. A diferencia de la mayoría de las herramientas de filtrado de ruido, que se basa en el procesamiento posterior 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.
Detectar un fotón específico que contiene información en medio del rugido del ruido de fondo es como tratar de arrancar un solo copo de nieve de una tormenta de nieve, pero eso es exactamente lo que el equipo de Huang ha logrado hacer. Huang y sus colegas describen un método para imprimir propiedades cuánticas específicasen un pulso saliente de luz láser y luego filtrando la luz entrante para que el sensor registre solo los fotones con propiedades cuánticas correspondientes.
El resultado: un sistema de imágenes que es increíblemente sensible a los fotones que regresan de su objetivo, pero que ignora prácticamente todos los fotones ruidosos no deseados. El enfoque del equipo produce imágenes 3D nítidas incluso cuando cada fotón portador de señal se ahoga 34 veces másfotones ruidosos
"Al limpiar la detección inicial de fotones, estamos superando los límites de las imágenes 3D precisas en un entorno ruidoso", dijo Patrick Rehain, candidato a doctorado de Stevens y autor principal del estudio. "Hemos demostrado que podemos reducir elcantidad de ruido aproximadamente 40,000 veces mejor que las principales tecnologías de imágenes actuales ".
Ese enfoque basado en hardware podría facilitar el uso de LIDAR en entornos ruidosos donde el posprocesamiento computacionalmente intensivo no es posible. La tecnología también podría combinarse con la reducción de ruido basada en software para producir resultados aún mejores ".tratando de competir con los enfoques computacionales, les estamos dando nuevas plataformas para trabajar ", dijo Rehain.
En términos prácticos, la reducción de ruido QPMS podría permitir que LIDAR se use para generar imágenes 3D precisas y detalladas en rangos de hasta 30 kilómetros. También podría usarse para la comunicación en el espacio profundo, donde el fuerte resplandor del sol normalmente se ahogaríapulsos láser distantes.
Quizás lo más emocionante es que la tecnología también podría dar a los investigadores una mirada más cercana a las partes más sensibles del cuerpo humano. Al permitir la obtención de imágenes de un solo fotón prácticamente sin ruido, el sistema de imágenes Stevens ayudará a los investigadores a crear imágenes nítidas y altamente detalladas dela retina humana utilizando rayos láser casi invisibles que no dañarán los tejidos sensibles del ojo.
"El campo de imágenes de un solo fotón está en auge", dijo Huang. "Pero ha pasado mucho tiempo desde que hemos visto un gran avance en la reducción de ruido y los beneficios que podría impartir a tantas tecnologías".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología Stevens . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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