近期，中国科学技术大学王亮教授团队和问天量子有限公司合作研发的短波红外单光子激光雷达取得重大进展。

研究团队通过全自主研发的单光子探测器芯片，匹配读出电路，结合全光纤激光雷达，开发了全天候、大扫描角度的激光雷达成像系统，为短波红外单光子成像及其核心芯片制备提供了开创性的方法，相关成果以“Single-Photon Depth Imaging Using a Photodetector With a Wire-Bonding Quenching Resistor.”为题，发表在探测器领域的知名期刊IEEESensorsJournal上。

什么是光子？

2016年，维也纳大学和洛克菲勒大学的科学家在《Nature Communications》发表了一篇研究论文，声称他们证明了人能够直接看到单个光子，但是量子光学界的一个大牛立马站出来说他们的研究数据并不能证明人能够直接看到单个光子。这到底是怎么回事呢？人真的能够直接看到单个光子吗？

通俗来讲，我们人眼看到的光都是由粒子组成的，组成光的粒子就叫着光子。与组成物质的原子、电子、夸克等微观粒子不同，光子没有静止质量，不能再分，光子是组成光最基本的粒子。

单个光子的能量非常小，可见光波段的单光子能量在10^(-19)焦耳量级，很多人可能对这个没有概念，举一个简单的例子来说，一个人如果能够看到单个光子，就相当于在全黑的情况下，在北京看到纽约一盏3W的节能灯，当然，有一个假设是光子会沿着地球表面走。即便是伸手不见五指的黑夜，也会有光子，这就是红外观测仪在夜间也能看到物体的原因，所有的物体无时无刻都在发光。

既然单光子的能量这么弱，如何观测到单光子呢？目前最常用的工具是单光子探测器，通常基于光电效应来探测光子，即一个光子照射到一种材料上可以激发出一个电子，单个电子组成的电信号是很难被观测到的，于是就需要对电信号进行放大；这个电子经过雪崩效应或者级联效应产生很多个电子，从而变成可以被观测到的电信号。

人眼观测到单光子也是类似的过程，通过位于人眼周围的一种对弱光非常敏感的细胞把光子转换为电信号，再通过神经元传递到大脑中枢，通过大脑中枢来解析人眼看到的信号。

最先进的雷达有多牛？

曾在2021年，中国科学技术大学潘建伟院士团队实现超过200公里的远距离单光子三维成像，首次将成像距离从十公里突破到百公里量级，为远距离目标识别、对地观测等领域的应用开辟了新道路。该成果日期在国际学术期刊《光学》发表。

如何“看得更远、看得更清”是人类对视觉感知的不懈追求。近年来发展的激光雷达成像技术能够对目标场景进行高精度三维成像。单光子成像雷达作为一种具有单光子级探测灵敏度和皮秒级时间分辨率的新兴激光雷达成像技术，是实现远距离光学成像的理想方案。然而，如何实现远距离单光子成像雷达，是该领域的研究热点。

科研团队经过长期攻关，发展了单像素单光子成像算法等核心技术，2019年在城市环境中实现了距离达45公里的单光子三维成像，突破了由英国哈利瓦特大学保持的最远距离纪录（10公里）。在此基础上，研究团队通过进一步技术突破，将成像距离拓展到201.5公里，成像灵敏度达到平均每个像素0.4个信号光子。

为了实现百公里单光子成像，研究团队搭建了全新的单光子雷达系统，并发展了针对远距离成像的多项新技术。基于此单光子雷达系统，研究人员在新疆的高山上对百公里外的多个目标进行三维成像，并测试了单光子计算成像算法；结果显示该系统可以在200公里范围内进行精确的三维成像，成像灵敏度达到单像素单光子。

据介绍，该研究工作对于面向低功耗、高分辨率等实用化需求的远距离激光雷达研究具有重要应用价值。

单光子激光雷达获突破

单光子激光雷达技术在遥感、自动驾驶、无人机导航等领域中扮演着关键角色。该技术利用时间相关单光子计数技术（TCSPC），能够实现超高分辨率和长距离目标探测，具有巨大的潜力，在军事、航空航天、环境监测等领域中得到广泛应用。其中，大气传输性能好、人眼安全的1550 nm波段的激光雷达更是目前研究的重点。

研究团队在芯片封装过程中通过金丝键合淬灭电阻的方式，使得InGaAs单光子探测器在优化过的读出电路下，以较为良好的光电性能工作在自由运行模式。

该单光子探测模块在243 K工作温度以及5 μs死时间下，实现了3.96%的低后脉冲概率以及0.9 KHz的暗计数率。同时，该模块在激光雷达系统中，以较低的脉冲激光功率（5 mW@40 KHz）实现了在雾天3 km的深度成像。并且研究团队实现了从激光雷达的核心芯片、读出电路，到整个激光雷达系统的全国产化自主开发，对推动国内短波红外远距离单光子激光雷达有着重要的意义。

中国科学技术大学光学与光学工程系王亮教授为该论文的通讯作者，博士研究生刘英见为该论文的第一作者。本项研究得到安徽省科技厅的资助，也得到了中国科大物理学院、中国电子科技集团第38研究所、中国科大微纳研究与制造中心、中国科学院量子信息重点实验室的支持。

文章来源： 中国科学技术大学，人民日报，刘博谈