量子启发计算波前整形：抗湍流光学成像的突破性进展

光学成像技术在遥感探测、天文观测、生物医学成像等关键领域发挥着不可替代的作用，但大气湍流、生物组织等无序介质引发的光波前随机畸变，长期制约着成像质量与分辨率的提升。传统波前校正方法依赖空间光调制器等硬件进行定域调控，存在硬件要求高、动态环境响应延迟及稳定性不足等局限。国防科技大学与香港理工大学联合团队提出一种量子启发的计算波前整形技术，基于经典关联光源与单像素探测原理，实现了抗湍流的分布式孔径合成成像。该技术摆脱了对专用硬件及子孔径共相操作的依赖，在湍流环境下达成0.157毫米的衍射极限分辨率，相关研究成果以“量子启发计算波前整形实现抗湍流分布式孔径合成成像（Quantum-Inspired Computational Wavefront Shaping Enables Turbulence-Resilient Distributed Aperture Synthesis Imaging）”为题发表于《Science Advances》，为动态复杂环境下的高分辨率光学成像提供了全新解决方案。

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 一、研究背景与技术瓶颈

在现代光学成像领域，光波前的完整性是保障成像质量的核心前提。然而，大气湍流、生物组织散射等自然或人为因素会导致光波前产生随机畸变，使得成像结果出现模糊、失真等问题，这一挑战在动态湍流场景中尤为突出。传统波前校正技术以空间光调制器为核心硬件，通过直接调控畸变光子的传播路径实现定域校正，但该方案存在三大关键瓶颈：一是对硬件的精度与响应速度要求严苛，增加了系统构建成本；二是在湍流快速变化的动态环境中，硬件调控存在固有响应延迟，难以实时追踪波前畸变；三是复杂光路中的多源畸变会导致校正稳定性下降，限制了其在遥感探测、动态生物成像等实际场景的应用。

量子非局域波前校正的出现为解决这一问题提供了新思路——利用光子对的纠缠特性，通过调控与信号光子时空分离的参考光子，间接消除像差对纠缠态的影响，恢复信息对应关系。但量子纠缠光源的制备与维护成本高昂，难以实现工程化应用。与此同时，赝热光因其具有与纠缠光相似的二阶关联函数，且光场分布可通过衍射规律确定性计算，成为模拟量子关联效应的理想替代方案，为量子启发的经典光学成像技术研发奠定了基础。

 二、核心技术创新与原理

联合团队受量子非局域像差消除机制启发，突破传统硬件校正思维，提出基于经典关联光源与单像素探测的计算波前整形方法，其核心创新与技术原理如下：

 （一）量子启发的计算域波前校正

该方法摒弃了直接调控畸变光子的传统思路，采用赝热光作为照明光源，通过桶探测器收集目标回波信号。当光路存在像差时，系统在计算参考光场的过程中主动引入补偿相位，利用赝热光的经典关联特性模拟量子关联效应，在计算域完成波前畸变的等效消除。这一设计从根本上摆脱了对空间光调制器等专用硬件的依赖，通过算法优化提升了动态环境下实时成像的稳定性，有效解决了传统方法在快速湍流场景中的响应延迟问题。

 （二）无需共相的分布式孔径合成方案

基于上述计算波前整形框架，团队进一步提出分布式光学孔径合成成像方案。该方案采用分布式子光源照明目标，无需进行复杂的子孔径共相操作——针对子光源间因分束产生的未知相对相位，以及湍流引入的额外波前畸变，通过计算波前整形技术实现双重补偿，最终达成与子光源排布基线对应的衍射极限分辨率。这一突破显著降低了光学合成孔径系统的工程实现难度，为构建大基线、高分辨率成像系统提供了简洁高效的技术路径。

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 三、实验验证与性能表现

为验证技术有效性，团队搭建了包含分布式光源、湍流相位屏、目标及桶探测器的实验系统（如图3A所示），通过SLM2（近光源端）和SLM3（近物体端）模拟强度递增的湍流环境（如图3B、3C所示），并与传统关联鬼成像技术进行对比测试。

实验结果表明，传统关联鬼成像技术的成像质量随湍流强度增加逐渐退化，最终完全失效（如图3D所示）；而量子启发计算波前整形技术在高强度湍流环境下仍保持稳定性能，实现了0.157毫米的分辨率，精准达到合成孔径的理论极限（如图3E所示）。这一结果充分证明了该技术在抗湍流成像领域的核心优势，为其实际应用提供了坚实的实验支撑。

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 四、研究团队与支持保障

本研究由国防科技大学理学院孙帅副教授担任第一作者，国防科技大学理学院刘伟涛教授与香港理工大学生物医学工程学系赖溥祥教授共同担任通讯作者，国防科技大学理学院陈平形教授、电子科学学院徐耀坤副研究员参与了研究工作。研究得到国家自然科学基金、国防科技大学自主科研基金、香港理工大学校内基金等多个项目的联合支持，为研究的顺利推进提供了充足的资源保障。

联合团队长期深耕量子光学与计算成像交叉领域，此前已在可编程赝热光源、中红外单光子成像等方向取得一系列重要进展，相关成果发表于《Physical Review Letters》《Nature Communications》《Optica》等国际顶级期刊，并被ScienceDaily、EurekAlert等国际学术媒体关注报道，形成了深厚的研究积累与鲜明的技术特色。

 五、应用前景与学科意义

 （一）应用场景拓展

该技术凭借抗湍流、低硬件依赖、易工程化等优势，在多个关键领域具有广阔应用前景：在遥感探测领域，可提升卫星、航空成像系统在复杂气象条件下的对地观测分辨率；在天文观测领域，能降低大气湍流对望远镜成像的影响，助力深空天体的高精度探测；在生物医学成像领域，可突破生物组织散射导致的成像瓶颈，为活体动态观测、疾病早期诊断提供技术支撑。

 （二）学科发展价值

从学科交叉视角来看，该研究创新性地融合量子光学非局域调控思想与计算成像技术，建立了“量子启发-经典实现”的技术范式，为量子光学原理的工程化应用提供了新路径。同时，该技术突破了传统光学成像对硬件与光路条件的严苛限制，推动了光学成像从“硬件主导”向“算法主导”的转型，为相关领域的技术创新提供了重要借鉴。

国防科技大学与香港理工大学联合团队提出的量子启发计算波前整形技术，通过经典关联光源模拟量子关联效应、计算域补偿替代硬件校正，成功解决了湍流环境下光学成像的核心瓶颈，实现了无需共相的分布式孔径合成成像。该技术不仅在实验中验证了衍射极限分辨率的稳定输出，更在硬件简化、工程化应用等方面具备显著优势，为遥感探测、生物医学成像等关键领域的技术升级提供了全新解决方案。未来，随着算法的进一步优化与系统集成技术的发展，该技术有望在更复杂的动态环境中实现更广泛的应用，持续推动光学成像领域的技术革新与学科发展。