一項(xiàng)近期發(fā)表于《PRX Quantum》的研究引入了一個(gè)量子算法框架，旨在利用量子計(jì)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(hào)中提取信息的難題，這一問(wèn)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(guò)將光子振幅信息編碼至量子比特寄存器，并在將信號(hào)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(hào)成像場(chǎng)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(cè)微弱信號(hào)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(duì)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(duì)于觀測(cè)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(shí)間積累探測(cè)到的信號(hào)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(hào)質(zhì)量下降。

量子技術(shù)的進(jìn)步通過(guò)實(shí)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(cè)量前應(yīng)用諸如量子主成分分析(QPCA)和量子信號(hào)處理(QSP)等量子算法。通過(guò)在經(jīng)典轉(zhuǎn)換前處理信號(hào)，該方法還減少了噪聲積累，提高了信噪比，并增強(qiáng)了對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)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(hào)成像的量子算法

研究人員開(kāi)發(fā)了一種用于成像未分辨點(diǎn)源的量子算法，其主要案例研究聚焦于系外行星探測(cè)場(chǎng)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(wú)需重建噪聲結(jié)構(gòu)的情況下，將微弱信號(hào)與明亮背景分離。

該過(guò)程首先利用量子比特-光子受控門將光信號(hào)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(duì)于微弱且異步到達(dá)的光子，通過(guò)一元到二進(jìn)制編碼將信息壓縮至對(duì)數(shù)數(shù)量的存儲(chǔ)量子比特中，從而實(shí)現(xiàn)高效存儲(chǔ)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(lái)操縱存儲(chǔ)的振幅，允許直接在量子電路內(nèi)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)光學(xué)模式變換。測(cè)量是在點(diǎn)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(cè)量，無(wú)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(cè)到的光子數(shù)量，并且在建模條件下可實(shí)現(xiàn)信噪比數(shù)量級(jí)的提升。

信號(hào)探測(cè)的突破

量子增強(qiáng)成像大幅減少了有效提取信號(hào)所需探測(cè)到的光子數(shù)量。在一個(gè)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(hào)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(gè)數(shù)量級(jí)，這突顯了探測(cè)效率的巨大提升。該方法無(wú)需重建背景噪聲結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⑽⑷跣盘?hào)與亮得多的源直接分離，這在系外行星探測(cè)等應(yīng)用中是一項(xiàng)重要優(yōu)勢(shì)。

所開(kāi)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(gè)量子比特和數(shù)百個(gè)量子門，這表明核心計(jì)算要素可能已可在當(dāng)前或新興的量子硬件上實(shí)現(xiàn)，盡管完整的系統(tǒng)級(jí)實(shí)施仍具挑戰(zhàn)性。此外，信噪比的提升縮短了積分時(shí)間，降低了對(duì)高度穩(wěn)定成像儀器的依賴，使得觀測(cè)條件更為靈活。雖然該研究主要聚焦于系外行星探測(cè)，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(cè)以及自適應(yīng)光學(xué)等探測(cè)弱信號(hào)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(duì)弱信號(hào)探測(cè)能力的提升有望增強(qiáng)對(duì)細(xì)胞和分子過(guò)程的觀察，從而推動(dòng)醫(yī)學(xué)診斷和生命科學(xué)的進(jìn)步。在衛(wèi)星監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)控方面，它可能實(shí)現(xiàn)對(duì)微小或遠(yuǎn)距離信號(hào)的精確探測(cè)，改善對(duì)大氣狀況的評(píng)估。

量子處理的集成還可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)更精確的畸變校正來(lái)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(shuō)，這項(xiàng)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(lái)實(shí)際的性能增益。

量子成像的未來(lái)方向

總而言之，這項(xiàng)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(cè)微弱信號(hào)方面。通過(guò)在測(cè)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(shí)降低了對(duì)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(hào)探測(cè)與圖像質(zhì)量。未來(lái)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(jì)算的進(jìn)步，這些發(fā)展有望帶來(lái)更實(shí)用、可擴(kuò)展的成像解決方案。總體而言，這項(xiàng)工作為量子技術(shù)在光學(xué)成像領(lǐng)域的未來(lái)應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，具有變革多個(gè)領(lǐng)域科學(xué)研究與實(shí)際應(yīng)用的潛力。

審核編輯 黃宇