보이지 않는 것에 대한 최적의 정보

레이저 빔을 사용하여 물체의 위치나 속도를 정확하게 측정할 수 있습니다. 그러나 일반적으로 이 객체에 대한 명확하고 방해받지 않는 보기가 필요하며 이 전제 조건이 항상 충족되는 것은 아닙니다. 예를 들어, 생물 의학에서는 불규칙하고 복잡한 환경에 포함된 구조를 검사합니다. 그곳에서 레이저 빔이 편향되고 산란되고 굴절되어 측정에서 유용한 데이터를 얻는 것이 종종 불가능합니다.

그러나 연구자들은 이제 이러한 복잡한 환경에서도 의미 있는 결과를 얻을 수 있음을 보여줄 수 있었습니다. 실제로 레이저 빔을 수정하여 복잡하고 무질서한 환경에서도 원하는 정보를 정확히 전달하도록 하는 방법이 있습니다. 대략적으로 뿐만 아니라 물리적으로 최적인 방식으로 말이죠. 자연은 간섭성 레이저 광으로 더 정밀한 것을 허용하지 않습니다. 새로운 기술은 다양한 유형의 파동이 있는 경우에도 매우 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있습니다.

TU Wien의 Stefan Rotter는 "항상 가능한 최고의 측정 정확도를 달성하기를 원합니다. 이것이 자연 과학의 핵심 요소입니다."라고 말합니다. “예를 들어 중력파를 감지하는 데 사용되는 거대한 LIGO 시설을 생각해 봅시다. 거기에서 레이저 빔을 거울에 보내면 레이저와 거울 사이의 거리 변화가 극도로 정밀하게 측정됩니다.” 이것은 레이저 빔이 초고진공을 통해 보내지기 때문에 잘 작동합니다. 아무리 작은 방해라도 피해야 합니다.

그러나 제거할 수 없는 장애를 처리할 때 무엇을 할 수 있습니까? 완벽하게 투명하지는 않지만 욕실 창문처럼 거칠고 광택이 없는 유리 패널을 상상해 보십시오. 빛은 통과할 수 있지만 직선으로는 통과할 수 없습니다. 빛의 파장이 변하고 산란되기 때문에 우리는 맨눈으로 창 반대편에 있는 물체를 정확하게 볼 수 없습니다. 상황은 생물학적 조직 내부의 작은 물체를 검사하려는 경우와 매우 유사합니다. 무질서한 환경이 광선을 방해합니다. 단순하고 규칙적인 직선 레이저 빔은 모든 방향으로 편향되는 복잡한 웨이브 패턴이 됩니다.

그러나 방해하는 환경이 광선에 무엇을 하고 있는지 정확히 안다면 상황을 역전시킬 수 있습니다. 그런 다음 방해를 수정하는 데 필요한 모양으로 정확히 변환되어 최상의 결과를 제공할 수 있는 위치에 정확하게 도달하는 복잡한 웨이브 패턴을 생성할 수 있습니다. 이를 달성하기 위해 교란이 무엇인지 정확히 알 필요도 없습니다. 먼저 시스템을 통해 일련의 시험파를 보내 시스템에 의해 어떻게 변경되는지 연구하면 충분합니다.

연구원들은 이 테스트 데이터에서 최적의 파동을 계산하는 데 사용할 수 있는 수학적 절차를 개발했습니다. 다양한 측정을 위해 특정 물체가 위치한 공간 좌표와 같은 최대 정보를 전달하는 특정 파동이 있음을 알 수 있습니다.

탁한 유리창 뒤에 숨겨진 물체를 생각해 보십시오. 물체가 약간 오른쪽으로 또는 약간 왼쪽으로 이동했는지 여부에 대한 최대 정보를 얻는 데 사용할 수 있는 최적의 광파가 있습니다. 이 파동은 복잡하고 무질서해 보이지만 정확히 원하는 방식으로 물체에 도달하고 실험 측정 장치에 최대한 많은 정보를 반환하는 방식으로 탁한 창에 의해 수정됩니다.

이 방법이 실제로 작동한다는 사실은 Utrecht University(네덜란드 위트레흐트)에서 실험적으로 확인되었습니다. 레이저 빔은 탁한 판 형태의 무질서한 매체를 통해 전달되었습니다. 이에 따라 매체의 산란 거동이 특성화되었습니다. 그런 다음 판 너머에 있는 물체를 분석하기 위해 최적의 파동을 계산했습니다. 이것은 나노미터 범위의 정밀도로 성공했습니다.

그런 다음 팀은 방법의 한계를 테스트하기 위해 추가 측정을 수행했습니다. 레이저 빔의 광자 수를 크게 줄여 여전히 의미 있는 결과를 얻을 수 있는지 확인했습니다. 이러한 방식으로 그들은 이 방법이 효과가 있을 뿐만 아니라 물리적인 의미에서도 최적임을 보여줄 수 있었습니다. 그들은 그들의 방법의 정밀도가 소위 양자 잡음에 의해서만 제한된다는 것을 발견했습니다. 이 노이즈는 빛이 광자로 구성되어 있다는 사실에서 비롯됩니다. 그러나 양자 물리학이 일관된 레이저 빔을 허용하는 한계 내에서 실제로 다른 것들을 측정하기 위한 최적의 파동을 계산할 수 있습니다. 위치뿐만 아니라 물체의 이동이나 회전 방향도 함께 표시됩니다.