量子相机可能重塑基于空间的情报

量子物理能否实现更好、更便宜、更快的卫星照片？在一两个月内，一家初创公司将在一颗轨道望远镜上测试“量子相机”。如果成功，这可能会大幅降低导弹防御的成本，并为较小的北约盟友和合作伙伴提供曾经只有大国才能拥有的间谍卫星能力。

这家位于波士顿的Diffraqtion公司部分由NASA和DARPA资助，正在测试一种从光子生成图像的全新方法。

你可能认为世界上最昂贵卫星上的相机与你祖父用来拍摄老电影的设备有根本区别。但无论是使用化学品和纸张，还是电路上的可充电晶体管，从光子行为中提取图像的过程在一个多世纪以来几乎没有变化。这也是为什么基于空间的图像采集——尤其是在高分辨率下——极其昂贵的原因之一。

这也是为什么Diffraqtion的联合创始人兼首席执行官约翰内斯·加拉茨诺斯使用“量子相机”而不是“摄影”这个术语的原因。

加拉茨诺斯说：“基本上，你有光通过镜头；它击中一个传感器，然后那个传感器生成一个JPEG图像，然后你可以查看它……或者你可以在上面运行AI，进行物体检测。”他说：“无论是在太空中使用高分辨率数字相机，还是使用传统的针孔相机，这个过程都没有[改变]。”

这种传统方法限制了基于衍射的有效摄影，衍射是光束通过孔径的过程。这也是为什么高分辨率成像卫星，如WorldView-3，体积庞大且沉重的原因：它们大多由玻璃镜头和空腔组成，类似于望远镜。这也是为什么发射成本平均约为$5000万每颗卫星，以及为什么只有少数国家能够获取高分辨率卫星图像的原因。

量子科学为使用不需要同样密集、沉重组件的传感器收集图像打开了可能性。Diffraqtion的一台相机大小如同一个小手提箱，发射成本仅为50万美元。

这可能正是击落高度机动的高超音速导弹的关键，正如白宫的金色圆顶计划所设想的那样。Diffraqtion提出的方法可能会降低空间拦截器上成像系统的成本，甚至减少完成任务所需的数量。

加拉茨诺斯表示：“你有更大的覆盖区域，可以同时观察更多目标，等等。”

这个想法有效地逆转了从光子数据中提取图像的过程。但在量子科学中，简单的观察量子行为会改变它们。这对于量子加密等事物非常有用，因为这意味着当信息被拦截时，消息会明显发生变化。但这也是使量子“摄影”变得不可能的原因。

另一位联合创始人兼公司首席科学官赛卡特·古哈花了数年时间描述一种新方法，用于从与光相关的量子行为中提取信息。这种方法并不“观察”光子，也不像电容器阵列或胶卷那样工作。相反，它使用AI来建模光学场；因此，古哈的方法将到达的光视为通过量子数学进行测量的“对象”，而不是将场景视为传感器上的模糊图像。

加拉茨诺斯说：“我们所做的是[接收]光。可见光到达时——我们并不捕捉它，所以没有观察。但我们转化光，在最终完成转化后，我们再捕捉它。因此，我们仍然保留光子在穿过相机时的全部信息。在最后，我们可以观察到处理的结果。”

加拉茨诺斯表示，广泛的量子相机卫星星座在2030年前不会成为可能。但如果下个月的假设得到验证，这可能会改变空间卫星成像的各个方面。