News by Bioengineer, May 22, 2025 in Technology
原文链接：https://bioengineer.org/photon-number-detection-advances-single-photon-lidar-precision/
在一项可能重新定义遥感技术未来的开创性发展中，研究人员展示了一种光子数分辨检测系统，该系统将单光子激光雷达(LiDAR)系统推向难以捉摸的标准量子极限。这一成就代表了精密测量的关键飞跃，有望对包括自主导航、环境监测甚至量子计算在内的无数应用产生变革性影响。
单光子 LiDAR 系统通过发射低强度激光脉冲并检测来自远处物体的最微弱反射来工作。该技术通过对单个光子进行计数以构建详细的环境三维地图。然而，传统单光子探测器经常面临噪声、效率低下和分辨率有限等问题，阻碍了它们在需要超高灵敏度和精度的场景中的实际应用。研究人员的最新进展引入了一种增强检测方案，大大减少了这些限制。
这项创新的核心是光子数分辨检测——这项技术不仅能够辨别光子是否到达，而且能够准确地辨别在给定的时间窗口内接收到多少光子。与传统的仅记录光子存在与否的单光子雪崩二极管(SPAD)不同，这种新的检测方法利用超导纳米线探测器和先进的信号处理技术，以超高保真度量化光子数。结果是 LiDAR 系统更紧密地遵守标准量子极限规定的基本量子测量极限，从而最大限度地从最小光照水平中提取信息。
接近标准量子极限并非易事。它需要对噪声最小化、时序分辨率和系统效率进行精细控制。研究团队精心设计了检测设备，以抑制暗计数并减轻后脉冲效应，这些因素传统上会降低性能。他们将低温冷却探测器与优化的读出电子设备集成在一起，使其能够实现可忽略不计的本底噪声，从而能够在环境背景噪声中识别单个光子——这在实际使用条件下更加严峻。
此外，该研究还解决了精确测距所需的时间分辨率。光子计数中的典型时间不确定性模糊了LiDAR技术固有的深度测量精度。通过将时序抖动降低到亚纳秒级，该系统可以区分从相距很近的距离到达的光子，从而将三维成像能力提升到前所未有的细节水平。这种时间精度对于自动驾驶汽车等应用至关重要，在这些应用中，基于准确空间数据的瞬间决策对于安全至关重要。
除了硬件组件的改进之外，该研究还在数据解释和信号重建方法方面进行了创新。该团队实施了基于量子估计理论的复杂统计推理算法，以最大限度地从检测到的光子计数中检索信息。通过对光子到达分布进行建模并利用贝叶斯估计，研究人员可以用最小的不确定性重建目标反射率，超越了经典的单光子LiDAR限制。
这一进步的一个令人兴奋的含义是它有可能大大降低激光功率要求。以更接近基本量子极限的精度运行意味着，用较少的光子照亮场景仍然可以产生高度精确的距离测量。这种减少减轻了对眼睛安全的担忧，并降低了系统的光学占用空间，这是消费电子产品和移动平台的重要考虑因素。它还为需要最小可检测辐射的隐形应用打开了大门。
此外，光子数分辨检测方法增强了在具有挑战性的环境中的鉴别能力。在浓雾、雨或城市杂波、光子回波较弱且分散的场景中，系统改进的灵敏度和分辨率可保持可靠运行。这种稳健性使其能够独特地部署在恶劣天气下运行的自主导航系统中——与当前在此类条件下通常会退化的 LiDAR 技术相比，这是向前迈出的重要一步。
该技术与集成光子学的兼容性进一步加强了其广泛采用的前景。纳米制造的进步使直接在芯片级平台上构建紧凑的超导纳米线阵列成为可能。这种集成有望以成本效益和更低的功耗扩展该技术，促进其集成到重量和尺寸限制至关重要的手持设备、无人机甚至卫星有效载荷中。尽管他们目前的设置接近标准量子极限，但正在进行的量子光源和纠缠光子对研究表明，在不久的将来可能会有更大的灵敏度增强。
LiDAR 激光发射模块的相干性和脉冲整形的并行改进确保了与光子数分辨探测器架构的最佳耦合。通过将脉冲特性与探测器的时间响应相匹配，该系统最大限度地减少了损耗和探测器饱和效应，巩固了其效率增益。这些整体系统级优化强调了发射器和接收器组件协调进步的重要性。
除了地面应用领域之外，这项开创性的工作预示着执行行星测绘和轨道碎片跟踪的星载 LiDAR 任务将受益。以低光子通量和卓越的测距精度运行的能力可以用更小的仪器产生更丰富的数据集，从而彻底改变遥感和天文观测能力。
重要的是，通过将单光子 LiDAR 系统推向基本量子极限，该技术与旨在重新定义测量科学的更广泛的量子计量学保持一致。这里得出的方法和见解可能会扩展到其他光子传感机制，例如量子通信和生物成像，其中光子预算限制和噪声至关重要。
随着量子技术的成熟，这一突破体现了如何将量子检测方案与经典传感模式相结合，从而解锁以前被认为无法实现的性能机制。前进的道路包括改进探测器阵列以进行更大规模的成像，集成机器学习以进行实时数据解释，并进一步最大限度地减少环境噪声影响。
总之，在单光子 LiDAR 系统中进行光子数分辨检测的演示标志着在寻求超精确、量子限制遥感方面取得开创性进展。通过克服关键的噪声和分辨率挑战，这种方法有望加速下一代 LiDAR 平台的部署，在自主性、环境监测和基础物理学研究方面具有变革性影响。在量子测量极限运行的 LiDAR 系统的愿景不再是一个遥远的梦想，而是一个正在出现的现实。
Subject of Research: Photon-number-resolving detection in single-photon LiDAR systems achieving performance near the standard quantum limit.
Article Title: Noise-tolerant LiDAR approaching the standard quantum-limited precision
Article References:
Li, H., Zheng, K., Ge, R. et al. Noise-tolerant LiDAR approaching the standard quantum-limited precision.
Light Sci Appl 14, 138 (2025). https://doi.org/10.1038/s41377-025-01790-5
Xu, F. Photon-number-resolving detection enables single-photon LiDAR approaching the standard quantum limit.
Light Sci Appl 14, 206 (2025). https://doi.org/10.1038/s41377-025-01880-4
Image Credits: AI Generated
