Квантовая фотография: 1 фотон на пиксел

Современные цифровые камеры всё лучше снимают в условиях плохой освещённости (то, что принято называть «полной темнотой»). Сенсоры становятся более чувствительными и регистрируют излучения в ближнем инфракрасном диапазоне, как приборы ночного видения.

Но исследователи из университета Глазго считают, что это далеко не предел. Разработанная ими цифровая камера с сенсором ICCD (intensified CCD, усиленный ПЗС-сенсор) регистрирует даже отдельные фотоны.

В конструкции используется две инновационные технологии: детектор запутанных фотонов (photon heralding) и компрессионная обработка (compressive imaging).

Конструкция довольно сложная, для понимания нужны глубокие знания математики и физики, но в упрощённом виде она изображена на схеме.

Детектор запутанных фотонов (heralding detector) использует тот феномен, что при определённых условиях можно создать пару запутанных фотонов с помощью спонтанного параметрического преобразования. Наблюдение одного фотона из такой пары является свидетельством существования второго фотона. Таким образом, сенсор цифровой камеры регистрирует объекты физического мира с помощью фотонов, которые даже не контактировали с этими объектами.

В квантовой цифровой фотокамере применяется устройство, которое разделяет пары спутанных фотонов так, что один из них отправляют в сторону объекта фотосъёмки, а второй — в сторону детектора. Как только детектор регистрирует появление фотона, он отправляет сигнал светочувствительный сенсор ICCD, чтобы тот активировался на 15 наносекунд и зарегистрировал координаты сигнала. Этого времени достаточно для регистрации одного фотона, и никакие посторонние шумы не успевают оказать влияние на светочувствительную матрицу.

Алгоритмы компрессионной обработки (compressive imaging) принимают собранную информацию как целое изображение и ещё сильнее оптимизируют его, устраняя шумы. После их работы подсвечиваются даже те пикселы, на которые не поступало фотонов. Получается, что эффективная производительность матрицы выходит за пределы показателя 1 фотон на пиксел.

На иллюстрации внизу показано изображение до и после обработки алгоритмами компрессионной съёмки.

Общее количество зарегистрированных фотонов для этого изображения — 10 000.

Новую фотокамеру мы вряд ли увидим в магазинах в ближайшее время. Она предназначена для проведения научных экспериментов, в частности, для фотографирования чувствительных к свету биологических объектов.

Источник: habrahabr.ru/post/236495/