據最新一期《自然·物理學》報道,英國格拉斯哥大學的物理學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。這一突破了傳統全息方法局限性的新型量子全息術,將允許創建更高分辨率、更低噪聲的圖像,幫助揭示更好的細胞細節,進一步了解生物學在細胞水平上的功能。
全息術作為打印在信用卡和護照上的安全圖像而為人所知,但其還有許多其他實際應用,包括數據存儲、醫學成像等。經典全息術通過將激光束分成兩條路徑來創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,經物體反射或者透射,就攜帶有物體的有關信息,稱為物光束。物光束經過處理也投射在感光底片的同一區域上。
全息圖是通過測量兩束光在相交處的相位差來創建的。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”屬性實現。
研究人員首先通過特殊的非線性晶體發出藍色激光,該晶體將光束分成兩路,在此過程中產生糾纏的光子。這些光子在行進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送。一束光子流(相當于經典全息術中的物光束)用于通過測量光子通過時的減速來探測目標物體的厚度和偏振響應。光的波形在穿過物體時會發生不同程度的偏移,從而改變了光的相位。
同時,相當于參考光束的另一束糾纏光子流撞擊一個空間光調制器。空間光調制器是一種可部分減慢通過它們的光速的光學設備。一旦光子通過了調制器,與探測目標物體的糾纏光子流相比,其相位就有了不同。
在標準全息術中,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上生成全息圖。而在研究人員團隊的新型量子全息術中,最引人注目的是光子穿過各自的目標后再也不會相互重疊。相反,因為光子被糾纏,所以每個光子分別經歷的相移會同時由兩者共享。
干擾現象會在遠端發生,全息圖將通過使用單獨的百萬像素數碼相機測量糾纏的光子位置之間的相關性來獲得。實驗顯示,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物體中重構而來。
研究人員表示,新研究擺脫了經典相干的局限,將全息術帶入了量子領域。使用糾纏光子提供了創建更清晰、更豐富的全息圖的新方法,這為該技術的實際應用開辟了新的可能性。
全息投影技術是利用干涉和衍射原理記錄并再現物體真實的三維圖像的技術。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生立體視覺。全息投影適用范圍產品展覽、汽車服裝發布會、舞臺節目、互動、酒吧娛樂、場所互動投影等。隨著科技的進步,全息投影技術會不斷的發展,各種技術瓶頸也會有突破性的進展。在不久的將來,全息投影這一新興技術將會在工業、商業、醫學、教育、國防等各個領域全面得到運用。其產生的經濟效益和社會效益將不可估量,也必將對人類文明的歷史產生顛覆性的影響。
從技術方面來講,目前全息顯示還需要解決在顯示方式、顯示尺寸、分辨率、計算和存儲能力等方面的瓶頸。另一個問題是提高計算效率。全息顯示技術要實時生成動態的全息圖,計算量非常大,因此對計算能力提出了更高的要求。
對于大多數人來說,全息是一種神奇的技術,是電影大片中一次又一次出現的高科技。當越來越多的人呼喚全息技術走近我們的生活時,各種十分吸睛的全息應用場景以及產品便應運而生,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專門成立全息科學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景半空中,人們可以看到真實或虛擬物體的幻像,營造亦真亦幻的氛圍,具有強烈的縱深感和科技感。因為記錄和呈現物體全部的三維信息,其呈現的影像更接近實物。
微美全息科學院成立于2020年8月,致力于全息AI視覺探索科技未知,以人類愿景為驅動力,開展基礎科學和創新性技術研究。旨在促進計算機科學和全息、量子計算等相關領域面向實際行業場景和未來世界的前沿研究。建立產研合作平臺,促進重大科技創新應用,打造產業、研究中心深度融合的生態圈。
微美全息科學院計劃在以下范疇拓展對未來世界的科學研究:
一、全息計算科學:生物全息計算、量子全息計算、光子全息計算、中微子全息計算、磁浮全息計算。
二、全息通信科學:量子全息通信、暗物質全息通信、真空全息通信、光子全息通信、夸克全息通信、磁浮全息通信、腦機全息通信。
三、微集成科學: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:量子全息云、光子全息云、大氣全息云、太空全息云。
目前,全息投影技術已經軍事領域、教育領域、展示領域、醫學領域取得了巨大的應用,我國從事全息投影領域的企業數量也從十幾家發展到千余家,市場容量也上升到百億級別。
可以流暢、實時地進行高動態顯示并可以實現空中交互,是人們對于全息顯示未來的期待。然而,當前全息顯示的技術發展還受到很多限制,除介質不穩定外,還存在數據量和計算量大、成本高等痛點,全息顯示距離商用還很遙遠。隨著數字式感光器件的發展,科學家們意識到,如同數碼相機取代膠片相機一樣,可以將干板換成CCD或者CMOS。即便沒有參考光束,也可以用計算機計算出復現的圖像。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算機通過數學運算呈現出來。這樣做有一個巨大的好處,就是可以實現任意物體的全息顯示,即便這個物體在現實中并不存在。
與此同時,5G時代的到來也將對數據的處理起到重要助力作用。5G網絡的千兆級超高帶寬、毫秒級的低時延將幫助全息技術突破上述瓶頸。
隨著5G快速發展,促進AR、VR、全息技術進入實用階段,全息投影在廣告、娛樂、旅游、教育、醫療、建筑等領域的應用范圍不斷擴大,5G全息應用市場將迎來全面爆發。
未來,隨著全息技術走向成熟,微納加工技術和材料的升級,以及其他技術(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用到生活各處。
