美国国防预先研究计划局（DARPA）目前正密切关注一种堪称“量子魔法”的技术。这家美国战争部的顶尖科研机构相信，曾经局限于实验室的奇异物理现象，或许很快就能帮助他们看到其他人无法看到的东西。
在美国国防科学办公室（DSO）近期发布的一份信息征询书（RFI）中，DARPA宣布正在寻求科学家的帮助，以革新国家安全领域最复杂的挑战之一：探测隐藏的核材料。这项工作将利用一种名为“幽灵成像”（GI）的技术，该技术源于量子物理学领域。
如果成功，这项研究有望开启核探测技术的新纪元，该技术能够“看穿”屏蔽层，远距离探测裂变材料，并在最大限度减少辐射暴露的同时实现这一目标。
这份信息征询书邀请研究人员探索“新型主动核探测技术”的开发，这些技术依赖于“关联粒子（中子、伽马射线光子等）在经典、量子和计算‘幽灵成像’等各种变体中的应用”。
本质上，DARPA想要探究的是光子能够在远距离保持神秘关联（量子纠缠的标志）的物理原理，是否也能在不打开密封容器、车辆甚至地下设施的情况下，窥探其内部结构？
DARPA近期发布的报告指出，“当与主动探测技术相结合时，‘幽灵成像’技术可带来潜在的性能优势，例如，剂量最小化、信噪比提升和探测距离增加”。
传统的“主动探测”技术——用于探测核材料、化学材料或放射性材料——通常涉及用中子或伽马射线轰击物体，并分析由此产生的辐射特征。这些系统功能强大，但往往存在风险。具体而言，它们可能使操作人员和附近人员暴露于辐射中，需要近距离检测，并且难以区分无害和有害物质。
然而，“幽灵成像”技术颠覆了这种模式。它并非直接从反射光或辐射中成像，而是利用两束独立光束之间的相关性——一束与物体相互作用，另一束不与物体相互作用——来间接重建图像。在某些设置中，“看到”物体的光束甚至从未接触过物体。
在量子“幽灵成像”中，这种相关性甚至可以存在于纠缠粒子之间。这些粒子对能够瞬间交换信息，而与它们之间的距离无关。DARPA最新发布的信息征询书表明，此类技术有望从根本上提高核探测系统的精度、安全性和探测范围。
多年来，“幽灵成像”一直是物理学研究中一个引人入胜的课题，并在涉及纠缠光子的实验室实验中得到了验证。通过测量这些相关粒子之间微妙的关联，研究人员能够重建仅与单个粒子相互作用的物体的图像——即使探测器本身从未直接“看到”该物体。
通过发布这份新的信息征询书，DARPA表明其相信这一原理不仅适用于实验室，还能应用于现实世界。该机构指出“幽灵成像”领域近期取得了进展，并表示“在过去的20年里，研究人员利用经典光和量子纠缠光子中的关联，开发了‘幽灵成像’技术”。DARPA还注意到一些利用X射线、电子和中子进行“幽灵成像”的最新演示，这表明该概念的应用范围已经超越了光学领域。
DARPA在信息征询书中写道：“实验室技术已经验证了这些基础性方面，并展现出未来通过将实验室实验扩展到可现场部署的‘幽灵成像’探测系统，颠覆传统主动核探测方式的潜力。”
综上所述，这些表述清楚地表明，DARPA将“幽灵成像”技术视为远超科学探索范畴的重要课题。并且，该机构将其视为下一代核安全系统的潜在基石。
秉承其追求高风险、高回报的研究传统，DARPA对循序渐进的研究不感兴趣。此次信息征询书明确要求提交的方案超越“渐进式改进”，力求“塑造研发计划的未来，包括潜在的高风险、高回报概念和研究方向，以实现性能演示”。
为实现这一目标，DARPA要求应询者提出能够显著提升性能的方案，例如，信噪比提高10倍，或在分辨率、特异性和探测距离方面取得显著提升。
在信息征询书中“关注范围”的条目下，该机构重点强调了几个急需重大创新的领域。首先，DARPA正在寻求生成关联甚至纠缠粒子（例如，中子、X射线和伽马射线）的方法，这些粒子可作为“幽灵成像”的探测系统的基础。该机构还在寻求新型探测器，从先进的成像阵列到超灵敏的单像素器件，这些探测器专为捕获此类系统所依赖的微弱信号而设计。
此外，DARPA强调了计算突破的重要性，包括人工智能和机器学习技术，这些技术能够以前所未有的速度和精度快速重建图像或模拟复杂的粒子相互作用。该机构甚至重点介绍了新兴的计算“幽灵成像”领域，这是一个融合了物理学和数据科学的子学科。“DARPA正在寻求有关潜在颠覆性计算方法的意见，包括可用于变革主动核探测能力的计算‘幽灵成像’技术。”信息征询书中写道。
换句话说，DARPA的研究表明，核探测的未来并非仅仅取决于探测器或辐射源的改进，能够从繁杂、间接的数据中挖掘出具有实际意义结果的智能算法，也可能发挥同样重要的作用。
这项研究的意义远不止于国家安全领域。如果“幽灵成像”技术能够臻于完善，它将引领非侵入式扫描技术的革命。想象一下，机场安检扫描仪能够在不让乘客暴露于辐射的情况下探测威胁，或者货物检查系统能够在安全距离外穿透金属集装箱。
在医学领域，类似的原理或许有一天能够实现对组织或器官的超低剂量成像，从而揭示传统X射线无法捕捉到的结构。同样，行星科学也可以受益于基于中子或伽马射线的“幽灵成像”技术，帮助航天器探测其他星球的地下物质，而无需钻探。
然而，目前DARPA的重点仍然在核安全领域，特别是提升探测隐蔽核威胁的能力。在信息征询书中列出的所有挑战中，生成合适的粒子或许是最艰巨的。该机构特别提到，他们有兴趣“生成用于主动核探测的关联和/或纠缠的中子、伽马射线（γ射线）和其他粒子”。
虽然纠缠光子在实验室中已能常规产生，但纠缠中子或伽马射线代表了量子科学的前沿领域。实现这种关联需要对粒子源和探测系统进行精确控制，通常需要在极高的能量尺度上进行，这使得即使是小型实验也变得困难且昂贵。
DARPA似乎认为这是可行的。该机构相信，通过结合经典方法和量子方法，并利用人工智能驱动的重建算法的最新进展，可以克服现实世界中实现“幽灵成像”的障碍。
物理学家长期以来一直对“幽灵成像”的奥秘着迷——两个看似独立的粒子如何协同作用，创造出它们各自都无法单独产生的图像。DARPA的最新计划表明，这些曾经深奥的实验如今正被重新构想为现实世界国防技术的基础。
如果成功，其成果可能成为核探测领域的巅峰：一个能够以极高精度、最小风险，甚至可能在数百米之外识别隐藏裂变材料的系统。
DARPA强调，其目前对“幽灵成像”的兴趣仅限于探索阶段。然而，该机构的许多历史项目表明，这类早期征询往往是迈向突破性项目的第一步。无论是通过纠缠粒子、人工智能驱动的重构，还是某种尚未被想象的方法，DARPA的最新研究体现了其真实想法：将曾经看似魔法的事物转化为国防安全的实用工具。（高飞）