神经形态视觉传感器驱动下的宽场量子传感技术新篇章

近日，由香港大学（港大） 电机电子工程系褚智勤教授、李璨教授和黄毅教授领导的团队，与国内和德国的科学家合作的量子传感技术研究项目，在提高宽场量子传感的速度及分辨率取得突破进展。

研究团队模仿人类视觉系统，设计出崭新的神经形态视觉传感器，传感器能在光学检测磁共振（optically detected magnetic resonance， ODMR）测量过程中，将荧光强度的变化编码为脉冲，从而高度压缩数据量并减少延迟。

新型量子传感系统比传统方法更有效率，具潜力应用於监测生物系统中的动态过程和其他领域。研究论文已於期刊《Advanced Science》发表，标题为 "Widefield Diamond Quantum Sensing with Neuromorphic Vision Sensors"。

"全球研究人员一直致力探索如何改进量子传感的测量准确度和时空分辨率。现时的图像传感器以图像帧的形式把传感的数据传输到后处理端作进一步分析，一般传输速度每秒不超过100帧，显著局限了传感的时间分辨率。而处理以图像帧形式呈现的大量数据，一直是开发新型传感系统的一个重大挑战。我们的研究便是要突破这一瓶颈。" 论文的作者及电机电子工程系在读博士生杜志远说。

传统传感器记录光的强度，神经形态视觉传感器将光强度变化进一步处理成类似生物视觉系统的"脉冲"，从而大幅提高时间分辨率（至约微秒级）和感测的动态范围（>120 dB）。利用新技术可捕捉更精细或快速的信号变化，应用于快速变化的动态测量，可测量的光强变化范围更宽广。同时，新方法可消除多余的静态背景信号，例如对目标跟踪和自动驾驶车辆等图像变化不频繁的场景，尤其有效。

团队用现成的事件相机进行实证（off-the-shelf event camera），应用新传感技术测量ODMR共振频率。结果发现，与目前基于帧的先进技术相比新，传感技术不单精准度相约，时间分辨率更提高13倍。

事件相机使用事件传感器在场景中发生明显变化时才产生输出，有别于传统相机按固定的时间间隔连续采集图像帧。

团队把金纳米颗粒涂在金刚石表面，然后以激光改变金刚石表面的温度进行探测。"我们利用新技术，成功监测金刚石金纳米颗粒表面的温度变化。这是现有方法所难达至的。"杜说道。

杜志远受到导师在量子传感的研究启发，加上自己的研究兴趣是结合传感和计算技术以实现智能化数据处理和分析，促使他和团队其他成员在量子传感领域研究聚焦，开拓新局面。

"我们研究为开发高精度、低延迟的宽场量子传感提供了崭新思路。新技术与新兴的内存件集成，未来有机会实现更高智能的量子传感器。" 他补充说。

宽场量子传感的概念、设计和实现

"我们的新方法将为宽场量子传感器带来巨大的变革，在可接受的成本范围下，大幅提升传感器的性能表现。" 褚智勤教授说。

"这也使得利用新型的基于记忆的电子突触器件实现近传感器的处理功能，更加接近现实。" 李璨教授说。

"这项技术应用在工业上的潜力需进一步探索，比如用于研究材料中电流的动态变化以及识别微芯片中的缺陷。" 黄毅教授说。

审核编辑：黄飞