隔牆觀物的黑科技，是怎樣煉成的？ | 袁嵐峯_風聞

　　導讀

　　如果你記住了“三次散射”，你的知識水平就超過了90%的人。

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　　https://www.ixigua.com/6941303877815927335

　　本視頻發佈於2021年3月19****日，播放量已近30萬

　　精彩呈現：

　　設想一下這樣的場景：有個恐怖分子躲在一個房間裏，特警隊員看不見他。但你掏出一個光學裝置，一下子就確定了他的位置和姿勢。然後神兵天降，抓獲了恐怖分子。

　　這樣的黑科技，最近變得接近現實了。2021年3月4日，中國科學技術大學潘建偉院士、竇賢康院士、徐飛虎教授等人在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上發表了一篇文章《1.43公里的非視域成像》（Non–line-of-sight imaging over 1.43 km），講的就是這個“隔牆觀物”。

　　《1.43公里的非視域成像》

　　（https://www.pnas.org/content/118/10/e2024468118）

　　這個消息引起了轟動。不過對我來説，倒是一點都不意外。因為幾個月以前，徐飛虎就跟我講過他們的這個研究（單光子相機：怎樣進行“隔牆觀物” | 徐飛虎）。他們當時是在投稿，現在終於發出來了。

　　“隔牆觀物”這項黑科技，究竟是怎樣煉成的？下面，我們就來解釋一下。

　　首先，這項技術並不是穿牆透視。許多人擔心自己穿什麼衣服都擋不住透視，其實它並不是幹這個的，那是X光、太赫茲等技術乾的事。這項工作的學術名稱，叫做“非視域成像”或者“非視距成像”。

　　所謂視域，就是由光線直線傳播決定的能夠看見的範圍。例如那裏有堵牆，我們就看不見牆後面的場景了。

　　非視域成像，就是看到直線傳播範圍之外的物體，也就是“我的視線會拐彎”。如何做到呢？還是因為那裏有堵牆。我們把牆當作鏡子！

　　在很多影視作品中，都有通過鏡子看到視線之外物體的情節。例如李小龍的代表作《龍爭虎鬥》，經典情節就是在一個充滿鏡子的房間中的打鬥。

　　《龍爭虎鬥》

　　為什麼我們平時不能用牆壁成像？因為鏡子發生的是鏡面反射，從一個方向來的光會被確定地反射到另一個方向，所以可以成很清晰的像。而牆發生的是漫反射，從一個方向來的光會被散漫地反射到很多方向，每一個方向的光強都比原來低得多，所以成不了像。

　　有一個成語“磨磚成鏡”，來自佛教書籍《景德傳燈錄》：“磨磚豈能成鏡邪？”意思就是磨磚成不了鏡子，單憑坐禪苦修也成不了佛。

　　但潘建偉等人做的，正是要把磚當鏡子來用，通過牆壁成像！特警抓住恐怖分子的時候，就可以告訴他：你身邊的牆壁出賣了你。

　　這是怎麼做到的呢？我來告訴大家一個關鍵詞：三次散射（three bounces）。如果你記住了“三次散射”，你的知識水平就超過了90%的人。

　　看下面這個圖，就會明白為什麼需要三次散射。

　　非視域成像原理示意圖

　　（千米之外，如何實現隔牆觀物 | 墨子沙龍）

　　首先，我們手裏有一個激光器和一個探測器。激光器向牆上某一點，發出一個脈衝激光，它被牆壁散射。有些光子原路返回，被探測器接收到。有些光子被偏轉，照向了隱藏的物體。大部分光子既沒返回，也沒撞到隱藏物體，就此消失了。這是第一次散射。

　　然後，照到隱藏物體上的光又被這個物體散射。大部分光子跑得沒影了，少部分光子運氣好，又被反射回牆壁。這是第二次散射。

　　最後，反射回牆壁的光子又被牆壁散射。大部分光子跑得沒影了，少部分光子運氣爆棚，居然又被反射回探測器，被我們探測到。這是第三次散射。

　　搞明白這個設置後，你會震驚得好像被閃電劈中。每一次散射都是一次撞大運的過程，大部分光子都是丟失的，只有少部分撞到了合適的光路上。假如撞上一次的概率是r，那麼連續撞上三次的概率就是r的三次方。這是一個非常低的概率，就好比一個人三次被閃電劈中而不死的概率。我們居然是在以這樣低的概率為基礎在做測量，這是多麼驚人的技術！

　　然而，有另一方面的原理使得這個技術成為可能，就是光的粒子性。也就是説，光是由一個個的光子組成的。大多數人可能都聽過光子這個詞，但沒有意識到一束光裏的光子多到什麼程度。

　　實際上，單個光子的能量非常低。它等於普朗克常數h乘以光的頻率ν，即

　　E = hν。

　　而普朗克常數是個非常小的量，約等於6.626 × 10-34焦耳·秒。

　　潘建偉等人用的激光波長λ = 1550納米，即1.55 × 10-6米。它對應的頻率是

　　ν = c/λ ≈ 1.92 × 1014赫茲。

　　這裏的c是光速，約等於3 × 108米/秒。

　　因此，單個光子的能量E = hν ≈ 1.27 × 10-19焦耳。

　　潘建偉等人用的激光器功率是300毫瓦，那麼每秒發出的能量是0.3焦耳。這個能量除以單個光子的能量，大約是2.36 × 1018，即236億億。每秒就發出百億億量級的光子！所以才能在三次撞大運之後，仍然有些倖存下來。

　　具體而言，文章中提到，一次操作時間大約是2秒，發出460億億個光子，其中有674個經過三次散射回來。

　　在2秒的光照中，發出460億億個光子，接收到674個三次散射回來的光子

　　京劇《華容道》裏，曹操83萬人馬下江南，被赤壁一把火燒得只剩一十八騎殘兵敗將。這個倖存率，其實還比三次散射高得多呢！

　　曹操大笑：原來我們的倖存率還算高的！

　　三次散射的光子身上，就攜帶了隱藏物體的信息。具體怎麼解析出來呢？再請大家研究一下這個圖。探測器收到了兩種光子。

　　非視域成像原理示意圖

　　（千米之外，如何實現隔牆觀物 | 墨子沙龍）

　　一種是在第一次散射就回來的。比如説，它們跟出發時間隔2.7納秒。這説明了什麼？這説明，它在2.7納秒的時間裏，走過了探測器到牆壁激光點距離的兩倍。由此可以算出，探測器到牆壁激光點的距離是40釐米。

　　另一種是經過三次散射才回來的。比如説，它們跟出發時間隔4.3納秒。這又説明了什麼？這説明，它在4.3納秒的時間裏，走過了探測器到牆壁激光點距離的兩倍，再加上牆壁激光點到隱藏物體的距離的兩倍。由此可以算出，牆壁激光點到隱藏物體的距離是24釐米。

　　很好，基本的信息都已經在這裏了。不過要把這些距離信息轉化成三維的圖像，知道那個隱藏物體究竟是什麼樣子，還需要大量的數學建模。例如在論文圖3裏，他們分辨出了1.43公里外一個房間裏的一個圖像是一個人偶模型舉着雙手，又分辨出了另一個圖像是一個大寫字母H。

　　隔牆觀物論文圖3，重構圖像與實物的比較

　　如果你擔心自己遭到偷窺的話，我來解釋一下。這相距1.43公里的兩個位置，是科大上海研究院和上海的一個民宅。那個民宅是他們租用的，裏面放的是做實驗用的假人，沒有偷窺任何人。

　　科大上海研究院，就是潘建偉研究組平時做實驗的地方。不久前字節跳動給我拍了一個紀錄片（“簡單”的科普工作，還有價值嗎？| 袁嵐峯），其中有我在量子保密通信上海控制中心的鏡頭，那就是在科大上海研究院裏面。

　　量子保密通信上海控制中心

　　（https://www.ixigua.com/6926369464988467723）

　　實際上，非視域成像本身並不是個新技術，它是在2009年由麻省理工學院媒體實驗室的Kirmani等人提出的。但以前的成像距離只能做到1米左右，現在潘建偉等人把它推進到了1.43公里，一下子提高了三個數量級。這才是真正驚人的地方。

　　實現這樣跨越式的進步，需要很多方面的技術突破共同配合。

　　例如，他們不但在黑夜可以實驗，而且也驗證了白天的可行性。用專業語言來説，有全天時成像的能力。

　　白天為什麼會造成困難呢？在陽光下，不要説非視域成像了，普通的成像都可能會看不清，因為陽光的背景太強烈。那麼這區區674個光子，如何保證不被陽光淹沒？答案是要用1550納米的波長，因為這個波長的光在太陽光中很少。

　　然而，這又帶來新的問題：以前的單光子探測器對這個波長不適用。兵來將擋，水來土掩，他們又專門研製出適合這個波長的單光子探測器。

　　除此之外，他們還發展了雙望遠鏡共聚焦光學系統，通過鍍膜提高了望遠鏡的反射率，採用了最優化的掃描精度，發展了“凸優化”的算法等等。每一項進步都有大量的細節，這麼多進步加起來，才實現了這三個量級的跨越。

　　俗話説：“內行看門道，外行看熱鬧。”看到一個黑科技，普通人只會對它的效果感到驚訝，而專家就會去關心技術細節，這才是真正的功力所在。

　　現在的量子科技，包括三大塊：量子通信、量子計算和量子精密測量。非視域成像屬於量子精密測量。除此之外，潘建偉研究組還在研發其他的量子精密測量技術。

　　例如竇賢康院士與張強教授合作研發的量子雷達，把大氣風場的探測距離從2.6公里提高到了8公里（高空大氣與量子雷達 | 竇賢康）。所謂大氣風場，就是大氣中每個位置有沒有風，風速多少，向哪個方向刮。對風場的測量，有重要的民用價值和軍用價值。

　　竇賢康院士與潘建偉研究組張強教授合作研製的量子雷達，將大氣風場探測距離增加到3倍（高空大氣與量子雷達 | 竇賢康）

　　又如徐飛虎講過另一個跟隔牆觀物緊密關聯的技術，叫做“霧裏看花”（單光子相機：如何實現“霧裏看花” | 徐飛虎）。效果是在霧霾下仍然能對幾十公里外的物體成像，即超視距成像。那裏的技術關鍵，同樣是1550納米的單光子探測器。一個像素以前需要接收到十億個光子，而現在只需要接收到一個光子就行。

　　霧裏看花的45公里實驗

　　我以前做過很多量子通信與量子計算的科普。雖然我講得已經十分透徹了，不過畢竟這些科技的原理比較高深，它們究竟實現了什麼效果，許多人仍然搞不清楚。現在大家聽到隔牆觀物、霧裏看花和量子雷達，立刻就明白這些東西很有用了吧？

　　實際上，所有這些成果在技術上都是相通的。例如無論是量子通信、量子計算還是量子精密測量，單光子探測器都是其中的一個關鍵。又如將自由空間量子通信實驗中所用的望遠鏡收發技術，應用到目標探測，就實現了遠距離激光雷達、測風雷達等等。

　　因此，量子信息研究組做的事情，並不是像魔術師從帽子裏掏出兔子一樣，突然掏出一個這個，突然掏出一個那個，而是長期默默地在發展各種技術，這些技術組合起來實現了各種為公眾所知的效果。如果你懂得這個道理，你的知識水平就超過了99%的人。

　　不懂這個道理的人，就會鬧出像下面這樣的笑話。最近有一位網友，在我的微博（https://weibo.com/3710258141/K5JNDftNj）下面説：

　　“明顯是浮誇、造假，潘建偉能這麼頻繁的有創新？原來是搞量子涉密傳輸的，怎麼會在非視域成像也能快速成功？如果兩者技術相近，則過去的信息裏應該把兩者一同介紹，但是過去沒有。所以兩者技術屬於不同領域，潘建偉是神仙？我過去從來沒有批判過潘建偉，現在要開始批判了。”

　　網友批判潘建偉

　　好吧，這真是充分地表現了“欲加之罪，何患無辭”！

　　最後，我想對大家説的是：量子科技正在蓬勃發展，學術界把它稱為“第二次量子革命”。第一次量子革命指的是二十世紀初量子力學的創立。跟那時相比，現在的區別是我們具有了操縱單個量子的能力，隔牆觀物、霧裏看花、量子雷達等等就是代表。將來更神奇的科技，有待大家去創造。