受纠缠启发的频率可变测距

用轻柔的光测距

从自动驾驶汽车到卫星测绘，现代生活依赖于通过让光线反射回远处物体来测量距离的设备。但强烈的日光和长距离会给这些测量带来大量不需要的“眩光”，迫使传感器提高功率或接受模糊的结果。本文提出了一种新的测距方法，借鉴了量子物理的理念，但可用普通激光实现，即便在强烈日光下也能实现极高精度、低功耗的测距。

量子妙招，无需脆弱的量子器件

量子物理学家已经证明，成对纠缠的光子可以穿透噪声并改进探测。不幸的是，生成和探测这种纠缠光子在技术上要求很高，而且亮度太低，不适用于许多现实场景，尤其是跨越数百米时。研究人员提出了一个简单问题：能否在使用明亮、稳健的经典激光的同时保留量子纠缠的大部分抗噪优点？他们的答案是肯定的。通过精心控制激光脉冲的频谱与时序，他们在普通光中建立了强相关性，模拟出量子行为中有用的部分，而无需真正纠缠的复杂性与脆弱性。

记得何时出发的颜色编码脉冲

系统的核心是一台飞秒激光器——发出极短红外光脉冲的装置。这些脉冲在长光纤中被拉伸，使脉冲内的不同颜色在十亿分之一秒尺度上被展开。随后，电子调制器刻划出三个不同的时间切片，每个切片关联一个不同的颜色通道。一个伪随机模式决定每隔几微秒哪种颜色在何时发出，形成在时间和频率上不断变化、类似密钥的编码。之后，一个基于光栅的光学装置重新整形脉冲，使得对外观察者而言，光束看起来像普通的微弱激光，从而隐藏了将用于测量的编码结构。

在城市街道上精确测距

为了在实验室外检验他们的设计，团队从一栋楼向约155米外粗糙的石墙照射激光，仅使用48微瓦的发射功率——远低于许多消费设备。墙面散射回来的光被望远镜收集并分成三个颜色通道，每个通道由单光子探测器监测。通过比较已知的发送模式与各通道返回的光子计数，他们累积出一个尖锐的时序峰值，揭示光的往返时间，从而确定距离。仅用100毫秒的数据，他们将建筑物距离测为154.8182米，精度优于0.1毫米——比一张纸还薄——尽管存在大量损耗且探测到的光子极少。

通过分散到多个通道战胜阳光

这一方法的一个主要好处是它如何抑制不需要的背景光。随机的阳光不遵循出射脉冲的那种特殊的时序与颜色编码。当研究人员分析数据时，只保留在正确时间落在正确通道的计数，有效地丢弃了大部分噪声。他们的理论预测，将信号分散到更多颜色通道可以同时降低探测器暗计数和背景噪声，从而提高信噪比。夜间、雨天、多云和直射阳光下的现场测试证实了这一点：从单通道扩展到三通道使测距峰值在明亮日光中清晰可见，而单通道系统则表现不佳，模型表明使用数十个通道可以进一步提升性能，甚至将测程推升到公里级以上。

安静、精确且难以被发现

由于发射功率极低且特殊的时序模式被隐藏，出射光束能融入自然背景光，难以被他人发现或干扰。然而持有秘密模式的预期接收端仍能从少量光子中提取精确的距离信息。通俗地说，这项工作表明我们可以用耳语般的温柔而非喊叫式的强光来测量远距离，通过在颜色和时间上巧妙编码，而不是依靠蛮力的亮度。这种受量子启发的技术为更实用、低功耗、甚至隐蔽的测距与成像系统在现实世界的应用打开了大门。

引用: Nie, W., Zhang, P., McMillan, A. et al. Entanglement-inspired frequency-agile rangefinding. Nat Commun 17, 2001 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68589-9

关键词: LiDAR, 类量子传感, 远程测距, 抗噪成像, 单光子探测