導讀
據(jù)奧地利維也納技術大學官網(wǎng)近日報道，該校研究人員開發(fā)出一種新方法，可以專門修改激光束，以便在復雜、無序的環(huán)境中準確地傳遞所需的信息。這項新技術可以應用于非常不同的領域，甚至可以用在不同類型的波中。
背景激光束可用于精確地測量物體的位置或速度。
激光雷達的光波示意圖（圖片來源：Johann Riemensberger）
然而，一般來說，這種測量需要有關物體的清晰、無障礙的視圖（這個先決條件并不總是會被滿足）。例如生物醫(yī)學中，科研人員需要檢查結(jié)構(gòu)，然而這些結(jié)構(gòu)卻會嵌入到不規(guī)則的復雜環(huán)境中。在那樣的環(huán)境中，激光束會發(fā)生偏轉(zhuǎn)、散射和折射，因此通常無法從測量中獲得有用數(shù)據(jù)。創(chuàng)新近日，烏特勒支大學（荷蘭）和維也納技術大學（奧地利維也納）的研究人員展示，他們在如此復雜的環(huán)境中也可以獲得有意義的結(jié)果。有一種方法可以專門修改激光束，以便在復雜、無序的環(huán)境中準確地傳遞所需的信息，不僅是近似地傳遞信息，而且能以物理上的最佳方式傳遞信息：大自然不允許使用相干激光來獲得更高的精度。這項新技術可以應用于非常不同的領域，甚至可以用在不同類型的波中。相關論文現(xiàn)在已經(jīng)刊登在科學雜志《自然·物理學》（Nature Physics）上。
下圖所示：當光線被無序的結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)時，評估目標的位置會變得困難。這項新研究提出了一個方法，使我們可以在如此具有挑戰(zhàn)性的情況下，達到最優(yōu)的評估精度。
（圖片來源：維也納技術大學）
技術維也納技術大學的斯泰凡·羅特（Stefan Rotter）表示：“你一直想獲得盡可能最佳的測量精度（這是所有自然科學的核心要素）。讓我們思考一下，例如，目前正用于檢測引力波的巨大 LIGO 設施。在這個設施中，你將激光束發(fā)射到鏡子上，并以極高的精度測量激光與鏡子之間的距離變化?！币驗榧す馐峭ㄟ^超高真空發(fā)送的，所以效果才能很好。任何干擾，無論有多小，都需要避免。但是，當你面對無法消除的干擾時，該怎么辦？烏特勒支大學的阿爾拉德·莫斯克（Allard Mosk）表示：“讓我們想象一下，一塊玻璃板不是完全透明的，而是像浴室窗戶那樣粗糙。光可以穿過，但不能成為一條直線。光波會發(fā)生變化和散射，所以我們無法用肉眼準確地看到窗戶另一側(cè)的物體?！?這個情況與檢查生物組織內(nèi)的微小物體非常相似：雜亂的環(huán)境會干擾光束。簡單、規(guī)則、筆直的激光束就變成了復雜的波形，向各個方向偏轉(zhuǎn)?？墒牵绻愦_切地知道干擾環(huán)境會對光束造成什么影響，則可以逆轉(zhuǎn)這種情況：然后有可能創(chuàng)造出一種復雜的波形，而不是簡單、筆直的激光束，該激光束可以根據(jù)受到的干擾和撞擊轉(zhuǎn)化為所需的形狀，從而帶來最佳的效果。這項研究的第一作者多里安·布歇特（Dorian Bouchet）解釋說：“要實現(xiàn)這一目標，你甚至不需要確切地知道干擾是什么。首先通過系統(tǒng)發(fā)送一組試驗波，就足以研究它們是如何被系統(tǒng)所改變的?！毕聢D所示：這個最優(yōu)方案在入射激光束上印刻一個圖案，從而在物體上產(chǎn)生最大的信息輸出，使我們可以精確地測量物體的位置（見底部圖像），而不是采用筆直的普通激光束來評估在一個混亂環(huán)境內(nèi)隱藏的物體的位置。（見頂部圖像）。
（圖片來源：維也納技術大學）
參與這項工作的科學家們共同開發(fā)了一個數(shù)學程序，然后這個程序可用于從該測試數(shù)據(jù)中計算出最佳波：“你可以證明，對于各種測量來說，某些波可以傳遞最大的信息，例如，某個物體所在的空間坐標?！币噪[藏在一塊渾濁的玻璃板后面的物體為例：有一個最佳的光波可用于獲取有關該物體是向右還是向左移動一點的最大量信息。這個波看起來復雜且無序，但隨后被渾濁的窗戶玻璃進行了修改，使其以所需的精確方式到達物體，并向?qū)嶒灉y量設備返回盡可能多的信息量。烏特勒支大學通過實驗證實了該方法確實有效：激光束穿過混濁玻璃板形式的無序介質(zhì)，從而表征了介質(zhì)的散射行為，然后計算出最佳波，以便分析板后的物體。他們?nèi)〉昧顺晒?，精度在納米范圍內(nèi)。然后，研究團隊進行進一步測量，以測試其新方法的局限性：激光束中的光子數(shù)量被大大減少，以查看是否仍可得到有意義的結(jié)果。通過這種方式，他們能夠展示該方法不僅有效，而且在物理意義上甚至是最佳的。阿爾拉德·莫斯克解釋道：“我們發(fā)現(xiàn)，該方法的精度不僅受到所謂的量子噪聲的限制。光線是由光子組成的這一事實引起了這種噪聲，我們對此無能無力。但是在量子物理學允許我們對相干激光束進行控制的范圍內(nèi)，我們實際上可以計算出最佳光波以測量不同的事物。不僅是物體的位置，還有物體的運動或旋轉(zhuǎn)方向。”價值這些成果是在半導體結(jié)構(gòu)納米級成像項目的背景下獲得的，這個項目由大學與工業(yè)伙伴合作開展。這項新技術可能的應用領域包括：微生物學以及計算機芯片的生產(chǎn)，在這些領域中極其精確的測量都是必不可少的。
關鍵詞
物理、激光、測量
參考資料
【1】Dorian Bouchet, Stefan Rotter, Allard P. Mosk. Maximum information states for coherent scattering measurements. Nature Physics, 2021; DOI: 10.1038/s41567-020-01137-4
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