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量子成像：它如何重新定義相機模組
創建於 2025.12.25
在智能手機攝影和工業成像的時代，相機模組長期以來受到傳統光學的限制。從模糊的低光照拍攝到笨重的鏡頭系統，傳統相機依賴捕捉數百萬個光子來形成影像——這種方法在光線稀少、尺寸關鍵或精度需求超出傳統物理學所允許的範疇時達到了瓶頸。然而，量子成像這項曾經僅限於實驗室實驗的技術，正逐漸成為改變遊戲規則的技術。通過利用量子力學的反直覺和卓越特性——例如光子糾纏、疊加和量子相關性——這項創新不僅在改善相機性能；它正在重新定義相機模組的功能、用途和可能性。
量子成像到底是什麼？
要理解量子成像的重要性，我們先從一個簡單的比較開始。經典相機的工作原理就像水桶：它們在一段時間內收集盡可能多的光子（光粒子），然後將這些光子轉換為電信號來構建圖像。問題是？如果光子不足（例如，在黑暗環境中），圖像就會變得嘈雜或無法使用。如果你需要一個緊湊的相機（例如，用於可穿戴設備或醫療設備），鏡頭和感測器的配置就無法縮小到某個程度而不犧牲質量。
量子成像顛覆了這一劇本。它不再將光子視為獨立的粒子，而是利用它們的量子特性從更少的光子中提取更多的信息——有時甚至是單個光子。兩個核心原則驅動著這一切：
• 量子相關性：光子成對（糾纏），使得一個光子的狀態瞬間影響另一個，即使它們被分開。這使得相機能夠通過測量光子之間的相關性來「看」，而不僅僅是計數它們。
• 光子擠壓：量子力學使科學家能夠減少光子測量中的不確定性（噪聲），從而在使用更少光線的情況下獲得更清晰的影像。
結果是？相機能夠在幾乎完全黑暗的環境中運作，適合於毫米級的設備，並捕捉到傳統相機無法捕捉的細節——同時使用更簡單、更小的硬體。
量子成像重新定義相機模組的5種方式
量子成像不僅僅是一次增量升級；它是對相機模組設計的根本性重新思考。以下是它打破界限的關鍵領域：
1. 超越衍射極限：無需笨重鏡頭的超高解析度
傳統相機受到光的衍射限制—這意味著它們能捕捉的最小細節受到光的波長和鏡頭光圈大小的限制。要獲得更高的解析度，您需要更大的鏡頭（想想專業的單反相機鏡頭或望遠鏡光學），這使得相機模組變得笨重且不適合便攜設備。
量子成像打破了這一限制。利用“量子幽靈成像”等技術（在這種技術中，通過糾纏光子對重建圖像，即使其中一個光子從未與物體互動），量子相機可以實現遠超過傳統光學所允許的解析度——而且鏡頭的大小僅為其一小部分。例如，格拉斯哥大學的研究人員開發了一種量子相機，使用小於針頭的鏡頭捕捉具有亞毫米解析度的3D圖像。這意味著未來的相機模組可以在智能手機大小（或更小）的設備中提供單反相機質量的解析度，消除凸起相機突起的需要。
2. 無鏡頭量子相機：尺寸革命
傳統相機模組最大的痛點之一是鏡頭系統。鏡頭笨重、易碎且製造成本高昂，尤其是對於醫療成像或無人機監控等高性能應用。量子成像使得依賴量子相關性而非玻璃來聚焦光線的“無鏡頭”相機成為可能。
它是如何運作的？無鏡頭量子相機使用一個傳感器，配合糾纏光子對：一個光子與物體互動，而另一個則由參考檢測器測量。通過分析這兩個光子之間的相關性，相機重建出清晰的圖像——不需要鏡頭。這種設計將相機模組的大小縮小了多達90%，為集成到微型設備中開啟了可能性：想想可吞食的相機用於內部醫療掃描、可穿戴設備的微型相機，或用於自主機器人的超緊湊傳感器。
3. 光子級靈敏度：低光影像的重新想像
任何曾經在黑暗的房間或夜間拍照的人都知道噪音和顆粒感影像的挫折。傳統相機需要最少數量的光子才能形成可用的影像，因此它們要麼提高ISO（增加噪音），要麼使用閃光燈（擾亂場景）。量子影像通過光子級靈敏度來解決這個問題——能夠僅使用少量光子捕捉影像。
在2023年，加州理工學院的研究人員展示了一種量子相機，能在0.0001勒克斯的光照下產生清晰的影像——這比沒有月亮的夜晚還要黑暗。這款相機使用了「量子照明」技術，將糾纏的光子發送到物體上；即使只有1/10,000的光子被反射回來，量子相關性也能讓感測器區分信號與噪聲。對於相機模組來說，這意味著：
• 在低光環境中不再閃光（對於安全攝像頭或野生動物攝影至關重要）。
• 使用更少輻射的醫學影像（例如，量子X射線相機所需的光子數量比傳統X射線少10倍）。
• 自動駕駛車輛攝影機在夜間或霧中可靠運作。
4. 多維成像：超越可見光
傳統相機使用可見光捕捉2D或3D影像，但量子成像可以提取更多資訊：光譜數據（超越RGB的顏色）、偏振（對材料分析有用），甚至是飛行時間（用於精確距離測量）—這一切都在單一模組中完成。
例如，量子相機可以通過檢測經典相機忽略的光子的量子特性來“看”穿霧、煙或甚至生物組織。在工業環境中，這意味著相機模組可以檢查材料的內部結構而不會損壞它們（例如，檢測飛機機翼的裂縫或半導體的缺陷）。在農業中，量子成像模組可以通過測量光譜和偏振數據來分析作物健康，從而實現大規模的精準農業。
5. 抗干擾可靠性：在極端環境中的成像
傳統相機在惡劣環境中表現不佳——強磁場、輻射或電磁干擾（EMI）可能會扭曲影像或損壞感測器。量子成像本質上對這些干擾具有抵抗力，因為量子相關性不容易受到外部噪音的擾動。
這使得量子相機模組非常適合：
• 太空探索：能夠在黑洞附近或高輻射環境中捕捉清晰影像的相機（NASA已經在為未來任務試用量子感測器）。
• 軍事和防禦：能在干擾環境或透過偽裝工作的監視相機。
• 核電廠：在高輻射區域運行而不會退化的檢查相機。
實際應用：量子成像的實踐
量子成像不僅僅是理論—幾個行業已經在測試量子啟用的相機模組：
• 醫療成像：量子相機正在用於開發非侵入性的腦部掃描，所需的輻射比MRI機器少100倍。像量子成像技術公司這樣的公司正在為內窺鏡製造緊湊的量子模組，使醫生能以前所未有的清晰度查看身體內部。
• 自駕車：特斯拉和Waymo正在探索量子相機模組，以改善低光和天氣性能。量子傳感器可以在傳統LiDAR和相機失效的霧霾條件下檢測行人或障礙物。
• 安全與監控：由像Arasor這樣的初創公司開發的量子幽靈成像相機正在邊境安全中部署，能夠在數英里外透過樹葉或煙霧捕捉清晰圖像。
• 工業檢測：西門子正在將量子相機模組整合到工廠機器人中，使其能夠精確檢測電子或航空航天元件中的微小缺陷。
前方的道路：挑戰與商業化
儘管量子影像擁有巨大的潛力，但也面臨著挑戰。當前最大的挑戰是：
• 成本：量子傳感器和糾纏光子源的製造仍然昂貴。然而，半導體製造的進步（例如，將量子點整合到CMOS傳感器中）正在降低成本。
• 功耗：早期的量子相機需要大量電力，但研究人員正在開發可以在電池供電下運行的低功耗量子晶片。
• 大規模生產：將量子技術擴展到大眾市場設備（如智能手機）將需要標準化的製造流程——這是索尼和佳能等行業領導者正在投資的方向。
儘管面臨這些挑戰，商業化的時間表比許多人預期的要短。專家預測，到2028年，我們將在高端智能手機和醫療設備中看到量子啟用的相機模組。到2030年，消費級量子相機可能會像今天的4K相機一樣普遍。
結論：量子成像是相機模組的未來
數十年來，攝影模組逐步演進——更好的感應器、更多的鏡頭、更高的像素。量子成像代表了一種範式轉變，超越了經典物理的限制，創造出比以往更小、更敏感和更通用的攝影模組。無論是適合放在智能手錶中的無鏡頭相機、在手術室中拯救生命的量子感應器，還是能穿透黑暗的監控攝影機，量子成像正在重新定義可能性。
隨著技術的成熟和成本的降低，量子相機模組不僅會改善現有應用—它們還將啟用全新的應用。量子成像的時代已經來臨，將徹底改變我們捕捉、處理和互動視覺資訊的方式。
如果你是科技愛好者、行業專業人士，或只是對成像的未來感到好奇，請持續關注—這僅僅是個開始。
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