我国科研团队在单光子成像技术方面取得重大突破

在湖北光谷实验室，研究员丁毅博士在进行光学成像探测实验。

近日，在湖北光谷实验室内，一束微弱到仅含几个光子的激光正在照射生物样本，科研人员紧紧盯着屏幕上得到的计算结果：“成像分辨率像素已达到百万级。”

日常使用的手机摄像头，像素普遍在千万级，甚至过亿，在生活中可以拍下清晰的照片。但在一些特殊场景，比如深海、高空，或在医疗检测上，光信号微弱，空间分辨率低，需要用单光子探测器来捕捉图像。光子是光的基本单位，我们日常生活中看到的光，其实是由无数个光子组成的。单光子探测器，顾名思义，就是能够探测到单个光子的超高灵敏度探测器，在量子通信、天文学、生物医学成像等领域有着重要应用。

“单光子探测器就像黑夜中的眼睛，可以捕捉到微弱的光信号。”湖北光谷实验室研究员丁毅博士说，但单光子探测器受物理结构限制，像素数量通常只能达到数千，限制了其在高分辨率成像等方面的应用。

比如在天文观测中，较低的像素个数，难以捕捉到更暗弱、更遥远天体的细节;在生物医学显微成像中，也无法满足对量子级荧光现象进行高分辨率记录的要求。为突破这一难题，丁毅博士团队将目光投向了计算成像这一领域。计算成像不同于传统成像技术，它能够通过光学调制和信号处理等手段，突破光电探测器在成像分辨率、成像帧率等方面的限制。“我们不再要求每个像素必须对应一个物理探测器，而是让单个探测器在不同时间扮演不同角色，通过编码光场和重构算法，最终恢复出几十万甚至上百万像素的高分辨率图像。”丁毅说，团队的这项技术已达到国际先进水平。

此外，单光子探测器以往输出的是模拟信号，实验室团队通过攻关研究，在芯片层次完成了单光子探测器的数字读出，在获取单光子信号时可以省去光子计数器件，使得成像与探测系统更加小型化、集成化，能够面向更多应用场景。

成果的背后，是科研团队无数个日夜的坚守付出。自2023年底立项开始，为赶进度，实验室的灯光常常亮到天明。为验证实验光路和计算方法的有效性，团队进行了大量的实验，积累了海量数据。“每天都感觉时间不够用，就想快些、再快些，让更多高端器件实现国产替代。”丁毅说，目前研究团队正与医疗器械、遥感探测等领域展开应用合作，首台用于医疗领域的工程样机正在研制中。目前，研究团队还在开展免标记纳米颗粒跟踪、时域压缩成像等多个技术难题攻关。“时不我待，早日攻克关键核心技术，我们干劲满满。”丁毅说。

审核编辑 黄宇