據(jù)最新一期《自然·物理學(xué)》報(bào)道,英國格拉斯哥大學(xué)的物理學(xué)家首次找到使用量子糾纏光子來將信息編碼為全息圖的方法。這一突破了傳統(tǒng)全息方法局限性的新型量子全息術(shù),將允許創(chuàng)建更高分辨率、更低噪聲的圖像,幫助揭示更好的細(xì)胞細(xì)節(jié),進(jìn)一步了解生物學(xué)在細(xì)胞水平上的功能。
全息術(shù)作為打印在信用卡和護(hù)照上的安全圖像而為人所知,但其還有許多其他實(shí)際應(yīng)用,包括數(shù)據(jù)存儲、醫(yī)學(xué)成像等。經(jīng)典全息術(shù)通過將激光束分成兩條路徑來創(chuàng)建三維物體的二維渲染。一束激光直接投射在感光底片上,稱為參考光束;另一束激光投射在物體上,經(jīng)物體反射或者透射,就攜帶有物體的有關(guān)信息,稱為物光束。物光束經(jīng)過處理也投射在感光底片的同一區(qū)域上。
全息圖是通過測量兩束光在相交處的相位差來創(chuàng)建的。相位是物光束和參考光束的波混合并相互干擾的量,這一過程由光的“相干”屬性實(shí)現(xiàn)。
研究人員首先通過特殊的非線性晶體發(fā)出藍(lán)色激光,該晶體將光束分成兩路,在此過程中產(chǎn)生糾纏的光子。這些光子在行進(jìn)方向和偏振方向上都糾纏在一起。
然后,兩條糾纏的光子流沿著不同的路徑發(fā)送。一束光子流(相當(dāng)于經(jīng)典全息術(shù)中的物光束)用于通過測量光子通過時的減速來探測目標(biāo)物體的厚度和偏振響應(yīng)。光的波形在穿過物體時會發(fā)生不同程度的偏移,從而改變了光的相位。
同時,相當(dāng)于參考光束的另一束糾纏光子流撞擊一個空間光調(diào)制器。空間光調(diào)制器是一種可部分減慢通過它們的光速的光學(xué)設(shè)備。一旦光子通過了調(diào)制器,與探測目標(biāo)物體的糾纏光子流相比,其相位就有了不同。
在標(biāo)準(zhǔn)全息術(shù)中,兩條路徑之后將彼此疊加,并且它們之間的相位干擾程度將用于在相機(jī)上生成全息圖。而在研究人員團(tuán)隊(duì)的新型量子全息術(shù)中,最引人注目的是光子穿過各自的目標(biāo)后再也不會相互重疊。相反,因?yàn)楣庾颖患m纏,所以每個光子分別經(jīng)歷的相移會同時由兩者共享。
干擾現(xiàn)象會在遠(yuǎn)端發(fā)生,全息圖將通過使用單獨(dú)的百萬像素?cái)?shù)碼相機(jī)測量糾纏的光子位置之間的相關(guān)性來獲得。實(shí)驗(yàn)顯示,相圖既可從諸如在液晶顯示器上編程的字母“UofG”之類的人造物體重構(gòu)而來,也可從諸如透明膠帶、顯微鏡載玻片上的硅油滴和鳥羽之類的真實(shí)物體中重構(gòu)而來。
研究人員表示,新研究擺脫了經(jīng)典相干的局限,將全息術(shù)帶入了量子領(lǐng)域。使用糾纏光子提供了創(chuàng)建更清晰、更豐富的全息圖的新方法,這為該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用開辟了新的可能性。
全息投影技術(shù)是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像的技術(shù)。全息投影通過不同的方位和角度觀察照片,可以看到被拍攝的物體的不同的角度,因此記錄得到的像可以使人產(chǎn)生立體視覺。全息投影適用范圍產(chǎn)品展覽、汽車服裝發(fā)布會、舞臺節(jié)目、互動、酒吧娛樂、場所互動投影等。隨著科技的進(jìn)步,全息投影技術(shù)會不斷的發(fā)展,各種技術(shù)瓶頸也會有突破性的進(jìn)展。在不久的將來,全息投影這一新興技術(shù)將會在工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學(xué)、教育、國防等各個領(lǐng)域全面得到運(yùn)用。其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益將不可估量,也必將對人類文明的歷史產(chǎn)生顛覆性的影響。
從技術(shù)方面來講,目前全息顯示還需要解決在顯示方式、顯示尺寸、分辨率、計(jì)算和存儲能力等方面的瓶頸。另一個問題是提高計(jì)算效率。全息顯示技術(shù)要實(shí)時生成動態(tài)的全息圖,計(jì)算量非常大,因此對計(jì)算能力提出了更高的要求。
對于大多數(shù)人來說,全息是一種神奇的技術(shù),是電影大片中一次又一次出現(xiàn)的高科技。當(dāng)越來越多的人呼喚全息技術(shù)走近我們的生活時,各種十分吸睛的全息應(yīng)用場景以及產(chǎn)品便應(yīng)運(yùn)而生,例如演唱會上的真人和虛擬影像的互動、全息鍵盤、全息展示等。
對全息技術(shù)的探索,中國一直未停下腳步。作為全球全息AR第一股,微美全息對全息技術(shù)專門成立全息科學(xué)院深入研究并取得一定成果。全息顯示利用光波的干涉和衍射,將物體的三維畫面懸浮在實(shí)景半空中,人們可以看到真實(shí)或虛擬物體的幻像,營造亦真亦幻的氛圍,具有強(qiáng)烈的縱深感和科技感。因?yàn)橛涗浐统尸F(xiàn)物體全部的三維信息,其呈現(xiàn)的影像更接近實(shí)物。
微美全息科學(xué)院成立于2020年8月,致力于全息AI視覺探索科技未知,以人類愿景為驅(qū)動力,開展基礎(chǔ)科學(xué)和創(chuàng)新性技術(shù)研究。旨在促進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)和全息、量子計(jì)算等相關(guān)領(lǐng)域面向?qū)嶋H行業(yè)場景和未來世界的前沿研究。建立產(chǎn)研合作平臺,促進(jìn)重大科技創(chuàng)新應(yīng)用,打造產(chǎn)業(yè)、研究中心深度融合的生態(tài)圈。
微美全息科學(xué)院計(jì)劃在以下范疇拓展對未來世界的科學(xué)研究:
一、全息計(jì)算科學(xué):生物全息計(jì)算、量子全息計(jì)算、光子全息計(jì)算、中微子全息計(jì)算、磁浮全息計(jì)算。
二、全息通信科學(xué):量子全息通信、暗物質(zhì)全息通信、真空全息通信、光子全息通信、夸克全息通信、磁浮全息通信、腦機(jī)全息通信。
三、微集成科學(xué):中微子微集成、生物微集成、光子微集成、量子微集成、磁浮微集成、衰變微集成、聚變微集成、裂變微集成。
四、全息云科學(xué):量子全息云、光子全息云、大氣全息云、太空全息云。
目前,全息投影技術(shù)已經(jīng)軍事領(lǐng)域、教育領(lǐng)域、展示領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了巨大的應(yīng)用,我國從事全息投影領(lǐng)域的企業(yè)數(shù)量也從十幾家發(fā)展到千余家,市場容量也上升到百億級別。
可以流暢、實(shí)時地進(jìn)行高動態(tài)顯示并可以實(shí)現(xiàn)空中交互,是人們對于全息顯示未來的期待。然而,當(dāng)前全息顯示的技術(shù)發(fā)展還受到很多限制,除介質(zhì)不穩(wěn)定外,還存在數(shù)據(jù)量和計(jì)算量大、成本高等痛點(diǎn),全息顯示距離商用還很遙遠(yuǎn)。隨著數(shù)字式感光器件的發(fā)展,科學(xué)家們意識到,如同數(shù)碼相機(jī)取代膠片相機(jī)一樣,可以將干板換成CCD或者CMOS。即便沒有參考光束,也可以用計(jì)算機(jī)計(jì)算出復(fù)現(xiàn)的圖像。后來,甚至拋開了干涉圖的記錄過程,直接將光場分布使用計(jì)算機(jī)通過數(shù)學(xué)運(yùn)算呈現(xiàn)出來。這樣做有一個巨大的好處,就是可以實(shí)現(xiàn)任意物體的全息顯示,即便這個物體在現(xiàn)實(shí)中并不存在。
與此同時,5G時代的到來也將對數(shù)據(jù)的處理起到重要助力作用。5G網(wǎng)絡(luò)的千兆級超高帶寬、毫秒級的低時延將幫助全息技術(shù)突破上述瓶頸。
隨著5G快速發(fā)展,促進(jìn)AR、VR、全息技術(shù)進(jìn)入實(shí)用階段,全息投影在廣告、娛樂、旅游、教育、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,5G全息應(yīng)用市場將迎來全面爆發(fā)。
未來,隨著全息技術(shù)走向成熟,微納加工技術(shù)和材料的升級,以及其他技術(shù)(如5G、VR/AR、AI)的賦能,被鎖住的全息市場之門將加速開啟,全息顯示將更加豐富地運(yùn)用到生活各處。
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