将神经形态引入量子传感，科学家研发新型视觉传感器，为超高灵敏度动态成像提供有力工具
近日，香港大学团队首次将神经形态的思路引入量子传感领域，并证明这种方法在精密测量领域的优势。他们以人类眼睛工作原理为灵感，打造出一款神经形态量子传感器，并实现了被调制温度的测量。
图 | 从左至右：香港大学教授、黃毅（）教授、教授（来源：资料图）
在现实生活之中，很多信号都与温度变化有关。
以细胞活动为例，当一个细胞之内或几个细胞之间进行某种活动时，会产生局部的温度变化。
通过测量这种时空变化的温度信号，可以研究细胞的活动规律及其作用机制。
此外，这种方法还可用于测量变化磁场的信息，借此可以对神经元的动作电位进行分辨。
同时，量子传感还具有高精度、高空间分辨率、高时间分辨率、以及非侵入式等特点，能为研究大脑的作用规律提供有力工具。
研究中，该团队通过模拟人眼神经系统的工作原理，在不降低传感精度的前提之下，显著提高了时间分辨率，让传感时间总耗时达到亚秒量级，从而让量子传感技术能够用于动态信号的测量，比如测量动态的温度变化或磁场变化等。
总的来说，这款神经形态视觉传感器可被用于动态信号的测量，并能被拓展用于测量局部温度的变化，从而监测细胞的活动，进而研究大脑神经元的动作电位。同时，还能通过测量电流的变化，来检测集成电路的缺陷。
未来，课题组还将验证本次方法在变化磁场探测领域的应用。假如能够设计出来集成度更高、噪声更小的专用电路，并通过与现有神经网络算法加以结合，即可进一步提升宽场量子传感的性能。
（来源：Advanced Science）
从最硬的物质——金刚石说起
要想深入理解本次成果，得从自然界中天然存在的最硬物质——金刚石说起。
金刚石氮空位色心，则是金刚石中的一种晶体缺陷。在室温之下，金刚石氮空位色心具有良好的量子相干性质。
通过光探测磁共振的方法，可以读出自旋量子的状态。也就是可以通过扫描微波频率的方式，来记录荧光强度随时间的变化。
由于金刚石氮空位色心的共振频率，会随着温度、磁场、电场、以及应力等物理量发生变化，因此可以作为精密测量的理想平台。
目前，在进行光探测磁共振的时候，学界一般使用共焦和宽场这两种测量方式。
其中，宽场光探测磁共振的优点在于，可以并行读出金刚石氮空位荧光信号的空间分布，故已被用于生物医疗、固体物理、集成电路检测等领域。
然而，测量中需要采集并读出一系列的图像帧数据，并传输到处理器端进行后处理，只有这样才能提取有效的物理信息，这会让时间分辨率受到极大限制，以至于只能测量静态的信号分布。
近年来，人们逐渐意识到提高宽场光探测磁共振的传感速度，并将其用于动态变化的信号测量，是一项亟待突破的科研目标。
与此同时学界也提出了不同方法，包括下采样、微波频率复用、利用集成的单光子雪崩二极管阵列、使用具有原位调制解调功能的 Lock-in 相机等。
然而，这些方法都会受到不同方面的限制。例如：
下采样方法可能会引入误差； 微波频分复用需要复杂的设备，而且速度提升较为有限； 单光子雪崩二极管阵列的集成难度较大，会导致空间分辨率遭到限制； Lock-in 相机则无法同时实现高速度和高精度。
之所以存在上述不足，是因为这些方法本质上仍然是基于“帧”的原始信号采集方式，因此会被大量的数据冗余所限制。
为解决这一问题，研究人员以人眼神经系统的工作原理为灵感，提出利用神经形态视觉传感器进行宽场量子传感的方案。
与传统相机不同的是，神经形态视觉传感器通过模拟人眼工作原理，可以感知动态的光强变化，并将其转化成一系列的脉冲，故能拥有微秒级别的超高时间分辨率。
在光探测磁共振测量中，神经形态视觉传感器能够以自适应的方式，对微波频率调制的荧光变化进行采样。
在剧烈变化的共振峰之处，会产生更加密集的脉冲；而在远离共振峰值之处、即频率缓慢变化之时，荧光信号所产生的脉冲非常稀疏。
在这一采样过程中，可以大大压缩冗余数据。此外，神经形态传感器的各个像素，能以独立异步的方式工作。
因此只有接收到有效荧光信号的像素，才有可能产生脉冲。而接收到静态背景信号的像素，则不会输出任何数据，从而能够进一步压缩数据冗余。
通过这种仿生的自适应传感方式，在不降低传感精度的前提下，可以实现亚秒级光探测磁共振测量、以及动态调制的温度传感。
同样使用这种思路，也能用来测量处于变化之中的磁场信号。并且，通过优化神经形态传感器的电路设计，还能进一步提高时间分辨率。
对于传统宽场固体量子传感来说，它受限于基于帧的工作方式。每完成一次测量，耗时通常在分钟量级。
这导致它只能用于静态信息的传感，比如静态的磁场信息、温度分布信息等，以至于让量子传感技术的应用范围受到极大限制。
（来源：Advanced Science）
数据量减少将近 1000 倍
而在本次工作之中，为何该团队选择了“模拟人眼工作原理”这一思路？
一方面，人类眼睛中的光感受器只会对光强的变化、而非对光强的绝对值做出响应。只有当光强的增加值或减小值，超过阈值的时候，才会输出脉冲信号。
正因此，人眼有着出色的时域自适应性。当光强变化剧烈时，感光细胞的采样率增加；当光强变化缓慢时，感光细胞的采样率减少。
对于传统相机来说，它是以固定时间间隔的方式进行采样。而本次方法借鉴了人眼的工作原理，故可以减少数据冗余，以及提高信息传输效率。
另一方面，人眼的感光细胞是以彼此独立的方式工作。所以，任何光感受器只要接收到足够的光强变化就能输出信号。
而对于处于静态或缓慢变化的背景信息来说，人眼的感光细胞无需做出响应，从而能够进一步压缩冗余信息。正是这种特殊的工作方式，让人眼具备出色的空间自适应性，并能以超高的效率获取视觉信息。
相比之下，传统相机需要所有像素统一地曝光信号和读出信号，从而大大增加了时间延迟。
根据香农采样定理推算：传统相机需要传输 20Gb/s 以上的数据，才能匹配人类视觉的动态范围与空间分辨率；而人类视觉神经仅需传输 20Mb/s 数据到视觉皮层，就能实现上述效果。后者比前者的数据量减少了将近 1000 倍。
信号的编码与传输，是神经形态的主要体现。在传统的宽场量子传感中，对于被微波频率调制的荧光强度分布来说，它们通常被电荷耦合器件/CMOS[2]相机记录为一系列具有固定时间间隔的帧。
这些包含大量数据冗余的“帧”，必须通过复杂且耗时的读出、传递、和后处理之后，才能拟合出对应的洛伦兹谱线，并从中提取有用的传感信息。
在本次工作中，研究人员记录的并不是荧光强度的大小，而是记录了荧光强度的变化，并通过模拟人眼感光细胞的工作原理，将这种变化编码为一系列的脉冲信号。
这种转化过程和人眼一样，具备自适应的特征。当处于变化剧烈的共振峰之时，脉冲信号更加密集；而在远离共振峰之时，脉冲信号则比较稀疏。
同时，对于脉冲的极性来说，它能代表光强变化的方向。相比传统方法，这种仿生的传感过程可以带来极高的时间分辨率、以及极低的数据冗余。
在后处理这一步骤之中，利用“移动平均”这一非常简单的处理方法，就能让原始洛伦兹谱线的导数形式得以恢复，并能以同等的精度实现传感信息的提取。
（来源：Advanced Science）
“追温”的科研人
那么，课题组具体如何实现本次成果的？据介绍：
在方案论证的时候，对于压缩冗余的数据，该团队分析了本次方法在提升传感时间分辨率上的可能性。
同时，他们还通过数学建模、以及仿真验证，证明被压缩的数据中包含着足够的信息，因此能让荧光信号的导数形式的洛伦兹谱线得以重建，并能从中提取正确的共振频率。
在搭建系统的时候，由于神经形态传感器并不是像传统相机那样，以固定的时间间隔进行采样，而是以自适应的时间分辨率进行采用。
为此，他们设计了精细的同步信号，借此让微波频率扫描与传感器采样保持同步，从而让脉冲时间与微波频率之间，拥有准确的对应关系。
在性能验证的时候，课题组发现尽管已经采用非常精密的信号同步系统，但是所提取的共振频率，与参考值之间依然存在偏差。
后来，他们发现这是由所采用的神经形态相机的内部工作原理造成的。为此，该团队开始使用正向扫描与反向扫描相结合的方式，并将测量结果加以平均，从而让上述偏差得以校正。
同时，大量实验结果显示：本次方法可以在不损失传感精度的前提之下，明显减少传感的时间延迟。
最后，为了证明本次方法能够带来实际的应用，该团队开展了测量调制温度的实验，证明本次方法确实可以追踪被调制的温度变化。
（来源：Advanced Science）
日前，相关论文以《具有神经形态视觉传感器的宽场金刚石量子传感》（）为题发在 Advanced Science（IF 15.1）。
图 | 相关论文（来源：Advanced Science）
杜志远是第一作者，香港大学的教授、教授和教授担任共同通讯作者[1]。