一項近期發(fā)表于《PRX Quantum》的研究引入了一個量子算法框架，旨在利用量子計算原理增強(qiáng)光學(xué)成像。研究人員致力于解決從微弱光信號中提取信息的難題，這一問題在天文學(xué)、生物成像及先進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)等領(lǐng)域至關(guān)重要。

該方法通過將光子振幅信息編碼至量子比特寄存器，并在將信號轉(zhuǎn)換為經(jīng)典數(shù)據(jù)前應(yīng)用量子算法，能夠在特定弱信號成像場景中顯著提升信噪比(SNR)。這一增強(qiáng)技術(shù)使得在嘈雜環(huán)境中更精確地探測微弱信號成為可能，從而彌補(bǔ)了經(jīng)典后處理方法的關(guān)鍵局限，而非對其進(jìn)行全面替代。

傳統(tǒng)成像技術(shù)的局限

光學(xué)成像對于觀測遙遠(yuǎn)的天體與微觀生物結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。傳統(tǒng)方法嚴(yán)重依賴于隨時間積累探測到的信號并應(yīng)用經(jīng)典后處理技術(shù)。然而，這些方法受到噪聲累積(尤其是散粒噪聲)的限制，導(dǎo)致信號質(zhì)量下降。

量子技術(shù)的進(jìn)步通過實現(xiàn)光信息在量子層面的處理提供了解決方案。這涉及將光子振幅信息編碼進(jìn)量子比特寄存器，并在測量前應(yīng)用諸如量子主成分分析(QPCA)和量子信號處理(QSP)等量子算法。通過在經(jīng)典轉(zhuǎn)換前處理信號，該方法還減少了噪聲積累，提高了信噪比，并增強(qiáng)了對微弱信號的探測能力，特別是在涉及弱源和未分辨源的任務(wù)中。

用于弱信號成像的量子算法

研究人員開發(fā)了一種用于成像未分辨點源的量子算法，其主要案例研究聚焦于系外行星探測場景。該方法將入射光子的波前信息編碼到量子比特寄存器中，使得量子處理能夠在無需重建噪聲結(jié)構(gòu)的情況下，將微弱信號與明亮背景分離。

該過程首先利用量子比特-光子受控門將光信號映射至像素-量子比特寄存器，這一步驟保留了振幅信息的相干性。對于微弱且異步到達(dá)的光子，通過一元到二進(jìn)制編碼將信息壓縮至對數(shù)數(shù)量的存儲量子比特中，從而實現(xiàn)高效存儲與處理。

隨后應(yīng)用包括QPCA、QSP和塊編碼在內(nèi)的量子算法來操縱存儲的振幅，允許直接在量子電路內(nèi)實現(xiàn)自適應(yīng)光學(xué)模式變換。測量是在點擴(kuò)散函數(shù)(PSF)的本征基下進(jìn)行的，從而能夠直接獲取可觀測量，無需進(jìn)行經(jīng)典斷層掃描重建。該方法顯著減少了所需探測到的光子數(shù)量，并且在建模條件下可實現(xiàn)信噪比數(shù)量級的提升。

信號探測的突破

量子增強(qiáng)成像大幅減少了有效提取信號所需探測到的光子數(shù)量。在一個恒星-系外行星系統(tǒng)的模型中(其殘余星光強(qiáng)度與行星信號相當(dāng)或更強(qiáng))，要達(dá)到10的信噪比，所需光子數(shù)比經(jīng)典方法少了3到4個數(shù)量級，這突顯了探測效率的巨大提升。該方法無需重建背景噪聲結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⑽⑷跣盘柵c亮得多的源直接分離，這在系外行星探測等應(yīng)用中是一項重要優(yōu)勢。

所開發(fā)的量子電路在理論上與近期量子架構(gòu)兼容，僅需數(shù)十個量子比特和數(shù)百個量子門，這表明核心計算要素可能已可在當(dāng)前或新興的量子硬件上實現(xiàn)，盡管完整的系統(tǒng)級實施仍具挑戰(zhàn)性。此外，信噪比的提升縮短了積分時間，降低了對高度穩(wěn)定成像儀器的依賴，使得觀測條件更為靈活。雖然該研究主要聚焦于系外行星探測，但該方法被認(rèn)為可擴(kuò)展至其他領(lǐng)域，包括分子成像、衛(wèi)星監(jiān)測以及自適應(yīng)光學(xué)等探測弱信號至關(guān)重要的領(lǐng)域。

天文學(xué)之外的應(yīng)用

在生物成像中，對弱信號探測能力的提升有望增強(qiáng)對細(xì)胞和分子過程的觀察，從而推動醫(yī)學(xué)診斷和生命科學(xué)的進(jìn)步。在衛(wèi)星監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)控方面，它可能實現(xiàn)對微小或遠(yuǎn)距離信號的精確探測，改善對大氣狀況的評估。

量子處理的集成還可以通過實現(xiàn)更精確的畸變校正來增強(qiáng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，從而提高望遠(yuǎn)鏡及其他光學(xué)儀器的性能。更廣泛地說，這項研究為量子增強(qiáng)傳感奠定了基礎(chǔ)，展示了量子技術(shù)如何帶來實際的性能增益。

量子成像的未來方向

總而言之，這項研究論證了量子算法在增強(qiáng)光學(xué)成像方面的理論潛力，特別是在減少光子需求以探測微弱信號方面。通過在測量前將光子信息編碼至量子比特寄存器并進(jìn)行處理，該方法在提升成像性能的同時降低了對資源的需求。

研究結(jié)果凸顯了量子增強(qiáng)傳感克服經(jīng)典方法關(guān)鍵局限的潛力，為各科學(xué)領(lǐng)域提供了改進(jìn)的信號探測與圖像質(zhì)量。未來的工作應(yīng)側(cè)重于完善這些算法，將其應(yīng)用擴(kuò)展到更復(fù)雜的系統(tǒng)，并與現(xiàn)有成像技術(shù)相融合。隨著量子計算的進(jìn)步，這些發(fā)展有望帶來更實用、可擴(kuò)展的成像解決方案?？傮w而言，這項工作為量子技術(shù)在光學(xué)成像領(lǐng)域的未來應(yīng)用與實驗驗證奠定了堅實基礎(chǔ)，具有變革多個領(lǐng)域科學(xué)研究與實際應(yīng)用的潛力。

審核編輯 黃宇