量子信息技术的发展加深了我们对光的理解和操控，也启发我们开展基于单光子探测的新型成像技术（Quantum inspired computational imaging）。光子作为光量子性的体现，是光能被检测到的最小能量单元。传统相机通过对不同位置光强的探测，实现物体成像。单光子成像的核心就是通过探测每个光子的三维时空信息(x,y,t)，结合光子的统计特性重构出物体的图像。
利用光子的三维信息（x,y,t）和量子统计特性，引入计算摄像学的最新技术，陆续涌现多种新型的单光子成像方法，实现了传统技术无法达到的成像功能，开辟了新的科学研究方向。例如，当入射光已经微弱至传统相机无法工作的强度时，单光子成像技术能够突破经典成像的信噪比极限，每个像素仅探测一个光子，也能够复原出物体的三维图像，从而能够提升现有遥感和侦察系统的工作距离和成像质量。又例如，对于隐藏在角落的物体，可以通过计算光子在墙面的散射和飞行过程，复原出视线外物体的三维图像，从而对隐藏的物体进行识别和跟踪，这是有望应用于安防、反恐等特殊场合的最新技术。
图注: 基于光子飞行时间的单光子成像研究。左图为首光子成像例子，右图为非视线成像例子。如上的实验中，都是采用单个单光子探测器+振镜扫描的方式实现成像。我们研究的成像仪器能够在平面成像，同时获得光子的飞行时间，能够直接地提高成像速度和成像质量。
实现高性能单光子成像的核心在于联合开发高性能的单光子成像芯片以及基于芯片和摄像场景的重构算法，这也是我们研究的主要内容。超导探测器通常具备比半导体探测器更加优越的性能，因此在科学研究、空间探测等追求极限指标的场合，发挥着独一无二的作用，这一点也体现在单光子探测器领域。单光子成像算法就是从单光子成像器件采集的数据推算出成像物体的物理参数的反向映射。常用的主要有两种方法：基于模型的统计信号处理方法(Science 2014, Nature 2018)和数据驱动的机器学习方法(PRL2018)。通过“器件+算法”的联合开发，将助力突破常规成像方式的应用极限。
最近，我们在计算光谱上也做出了一些创新结果。SNSPD是一种不具备光子能量分辨的单光子探测器，也就是说，仅通过探测脉冲是无法分辨光子的能量。但是，不具备光子能量分辨率并不意味着SNSPD不具备光谱测量能力。我们利用超导纳米线光谱响应率同偏置电流的非线性关系，构造出一组可重构的方程组，通过现代数学方法进行反问题求解，从而实现了“单探测器光谱仪”。
所谓的“单探测器光谱仪”，即通过一个探测器实现光谱测量，而不需要额外的光栅、滤波器等光学元件。这样极简的系统构造，使得我们能够利用现有的SNSPD探测系统，通过软件算法，编程测量过程，额外获得光谱测量能力。在我们的实验中，我们将计算光谱仪和单光子激光雷达结合起来，实现了空间、距离、光谱的同时探测。
