Оптимальная информация о невидимом

Лазерные лучи можно использовать для точного измерения положения или скорости объекта. Однако обычно требуется четкий, беспрепятственный обзор этого объекта — и это условие не всегда выполняется. В биомедицине, например, исследуются структуры, встроенные в нерегулярную, сложную среду. Там лазерный луч отклоняется, рассеивается и преломляется, что часто делает невозможным получение полезных данных измерения.

Однако теперь исследователи смогли показать, что значимые результаты могут быть получены даже в таких сложных условиях. Действительно, есть способ специально модифицировать лазерный луч, чтобы он доставлял именно нужную информацию даже в сложной, неупорядоченной среде — и не просто приблизительно, а физически оптимальным образом. Природа не позволяет добиться большей точности с помощью когерентного лазерного излучения. Новую технологию можно использовать в самых разных областях применения, даже с разными типами волн.

«Вы всегда хотите достичь максимально возможной точности измерений — это центральный элемент естественных наук», — говорит Стефан Роттер из Технического университета Вены. «Давайте подумаем, например, об огромной установке LIGO, которая используется для обнаружения гравитационных волн. Там вы направляете лазерные лучи на зеркало, и изменения расстояния между лазером и зеркалом измеряются с предельной точностью». Это работает так хорошо только потому, что лазерный луч отправляется через сверхвысокий вакуум. Следует избегать любых нарушений, даже самых незначительных.

Но что вы можете сделать, когда имеете дело с нарушениями, которые невозможно устранить? Представьте себе стеклянную панель, не идеально прозрачную, а шероховатую и неполированную, как окно в ванной. Свет может проходить, но не по прямой линии. Световые волны искажаются и рассеиваются, поэтому мы не можем точно увидеть объект по ту сторону окна невооруженным глазом. Аналогичная ситуация, когда вы хотите исследовать крошечные объекты внутри биологической ткани:неупорядоченная среда мешает световому лучу. Простой, обычный прямой лазерный луч затем превращается в сложную волновую структуру, которая отклоняется во всех направлениях.

Однако, если вы точно знаете, что возмущающая среда делает со световым лучом, вы можете изменить ситуацию. Затем можно создать сложную волновую картину, которая трансформируется в точно такую ​​форму, которая необходима для устранения возмущений, и попадает именно туда, где может дать наилучший результат. Для этого даже не нужно точно знать, что представляют собой возмущения, достаточно сначала пропустить через систему набор пробных волн, чтобы изучить, как они изменяются системой.

Исследователи разработали математическую процедуру, которую затем можно использовать для расчета оптимальной волны на основе этих тестовых данных. Можно показать, что для различных измерений существуют определенные волны, дающие максимум информации, например, о пространственных координатах, в которых находится тот или иной объект.

Возьмем объект, спрятанный за мутным оконным стеклом:существует оптимальная световая волна, с помощью которой можно получить максимальное количество информации о том, сдвинулся ли объект немного вправо или немного влево. Эта волна выглядит сложной и неупорядоченной, но затем видоизменяется мутным стеклом таким образом, что достигает объекта именно в нужном направлении и возвращает экспериментальному измерительному прибору максимально возможное количество информации.

То, что метод действительно работает, было подтверждено экспериментально в Утрехтском университете (Утрехт, Нидерланды). Лазерные лучи направлялись через неупорядоченную среду в виде мутной пластины. Тем самым было охарактеризовано рассеивающее поведение среды. Затем были рассчитаны оптимальные волны для анализа объекта за пределами пластины — это удалось с точностью в нанометровом диапазоне.

Затем команда провела дополнительные измерения, чтобы проверить пределы своего метода. Количество фотонов в лазерном луче было значительно уменьшено, чтобы увидеть, будет ли получен значимый результат. Таким образом, им удалось показать, что метод не только работает, но даже оптимален в физическом смысле. Они обнаружили, что точность их метода ограничена только так называемым квантовым шумом. Этот шум возникает из-за того, что свет состоит из фотонов — с этим ничего нельзя поделать. Но в пределах того, что квантовая физика допускает для когерентного лазерного луча, мы действительно можем рассчитать оптимальные волны для измерения разных вещей. Не только положение, но и движение или направление вращения объектов.