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据最新一期《自然·物理学》报道,英国格拉斯哥大学的物理学家首次找到使用量子纠缠光子来将信息编码为全息图的方法。这一突破了传统全息方法局限性的新型量子全息术,将允许创建更高分辨率、更低噪声的图像,帮助揭示更好的细胞细节,进一步了解生物学在细胞水平上的功能。
全息术作为打印在信用卡和护照上的安全图像而为人所知,但其还有许多其他实际应用,包括数据存储、医学成像等。经典全息术通过将激光束分成两条路径来创建三维物体的二维渲染。一束激光直接投射在感光底片上,称为参考光束;另一束激光投射在物体上,经物体反射或者透射,就携带有物体的有关信息,称为物光束。物光束经过处理也投射在感光底片的同一区域上。
全息图是通过测量两束光在相交处的相位差来创建的。相位是物光束和参考光束的波混合并相互干扰的量,这一过程由光的“相干”属性实现。
研究人员首先通过特殊的非线性晶体发出蓝色激光,该晶体将光束分成两路,在此过程中产生纠缠的光子。这些光子在行进方向和偏振方向上都纠缠在一起。
然后,两条纠缠的光子流沿着不同的路径发送。一束光子流(相当于经典全息术中的物光束)用于通过测量光子通过时的减速来探测目标物体的厚度和偏振响应。光的波形在穿过物体时会发生不同程度的偏移,从而改变了光的相位。
同时,相当于参考光束的另一束纠缠光子流撞击一个空间光调制器。空间光调制器是一种可部分减慢通过它们的光速的光学设备。一旦光子通过了调制器,与探测目标物体的纠缠光子流相比,其相位就有了不同。
在标准全息术中,两条路径之后将彼此叠加,并且它们之间的相位干扰程度将用于在相机上生成全息图。而在研究人员团队的新型量子全息术中,最引人注目的是光子穿过各自的目标后再也不会相互重叠。相反,因为光子被纠缠,所以每个光子分别经历的相移会同时由两者共享。
干扰现象会在远端发生,全息图将通过使用单独的百万像素数码相机测量纠缠的光子位置之间的相关性来获得。实验显示,相图既可从诸如在液晶显示器上编程的字母“UofG”之类的人造物体重构而来,也可从诸如透明胶带、显微镜载玻片上的硅油滴和鸟羽之类的真实物体中重构而来。
研究人员表示,新研究摆脱了经典相干的局限,将全息术带入了量子领域。使用纠缠光子提供了创建更清晰、更丰富的全息图的新方法,这为该技术的实际应用开辟了新的可能性。
全息投影技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的技术。全息投影通过不同的方位和角度观察照片,可以看到被拍摄的物体的不同的角度,因此记录得到的像可以使人产生立体视觉。全息投影适用范围产品展览、汽车服装发布会、舞台节目、互动、酒吧娱乐、场所互动投影等。随着科技的进步,全息投影技术会不断的发展,各种技术瓶颈也会有突破性的进展。在不久的将来,全息投影这一新兴技术将会在工业、商业、医学、教育、国防等各个领域全面得到运用。其产生的经济效益和社会效益将不可估量,也必将对人类文明的历史产生颠覆性的影响。
从技术方面来讲,目前全息显示还需要解决在显示方式、显示尺寸、分辨率、计算和存储能力等方面的瓶颈。另一个问题是提高计算效率。全息显示技术要实时生成动态的全息图,计算量非常大,因此对计算能力提出了更高的要求。
对于大多数人来说,全息是一种神奇的技术,是电影大片中一次又一次出现的高科技。当越来越多的人呼唤全息技术走近我们的生活时,各种十分吸睛的全息应用场景以及产品便应运而生,例如演唱会上的真人和虚拟影像的互动、全息键盘、全息展示等。
对全息技术的探索,中国一直未停下脚步。作为全球全息AR第一股,微美全息对全息技术专门成立全息科学院深入研究并取得一定成果。全息显示利用光波的干涉和衍射,将物体的三维画面悬浮在实景半空中,人们可以看到真实或虚拟物体的幻像,营造亦真亦幻的氛围,具有强烈的纵深感和科技感。因为记录和呈现物体全部的三维信息,其呈现的影像更接近实物。
微美全息科学院成立于2020年8月,致力于全息AI视觉探索科技未知,以人类愿景为驱动力,开展基础科学和创新性技术研究。旨在促进计算机科学和全息、量子计算等相关领域面向实际行业场景和未来世界的前沿研究。建立产研合作平台,促进重大科技创新应用,打造产业、研究中心深度融合的生态圈。
微美全息科学院计划在以下范畴拓展对未来世界的科学研究:
一、全息计算科学:生物全息计算、量子全息计算、光子全息计算、中微子全息计算、磁浮全息计算。
二、全息通信科学:量子全息通信、暗物质全息通信、真空全息通信、光子全息通信、夸克全息通信、磁浮全息通信、脑机全息通信。
三、微集成科学: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、衰变微集成、聚变微集成、裂变微集成。
四、全息云科学:量子全息云、光子全息云、大气全息云、太空全息云。
目前,全息投影技术已经军事领域、教育领域、展示领域、医学领域取得了巨大的应用,我国从事全息投影领域的企业数量也从十几家发展到千余家,市场容量也上升到百亿级别。
可以流畅、实时地进行高动态显示并可以实现空中交互,是人们对于全息显示未来的期待。然而,当前全息显示的技术发展还受到很多限制,除介质不稳定外,还存在数据量和计算量大、成本高等痛点,全息显示距离商用还很遥远。随着数字式感光器件的发展,科学家们意识到,如同数码相机取代胶片相机一样,可以将干板换成CCD或者CMOS。即便没有参考光束,也可以用计算机计算出复现的图像。后来,甚至抛开了干涉图的记录过程,直接将光场分布使用计算机通过数学运算呈现出来。这样做有一个巨大的好处,就是可以实现任意物体的全息显示,即便这个物体在现实中并不存在。
与此同时,5G时代的到来也将对数据的处理起到重要助力作用。5G网络的千兆级超高带宽、毫秒级的低时延将帮助全息技术突破上述瓶颈。
随着5G快速发展,促进AR、VR、全息技术进入实用阶段,全息投影在广告、娱乐、旅游、教育、医疗、建筑等领域的应用范围不断扩大,5G全息应用市场将迎来全面爆发。
未来,随着全息技术走向成熟,微纳加工技术和材料的升级,以及其他技术(如5G、VR/AR、AI)的赋能,被锁住的全息市场之门将加速开启,全息显示将更加丰富地运用到生活各处。
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