Виміряна відстань з точністю до квантового шуму
Вчені створили метод вимірювання відстаней за допомогою лазерних променів, що працює навіть в нерегулярної і складно середовищі. Про це пише Nature Physics, повідомляє Хайтек.
Лазерні промені можна використовувати для точного вимірювання положення або швидкості об'єкта. Але для цього зазвичай потрібно чіткий і безперешкодний огляд цього об'єкта. Ця умова не завжди здійснимо. У біомедицині, наприклад, досліджуються структури, які знаходяться в нерегулярної і складному середовищі. В таких умовах лазерний промінь просто відхиляється, розсіюється або переломлюється.
Вчені з Утрехтського університету і TU Wien змогли отримати вимірювання заданої точності навіть в таких складних умовах. Вони спеціально модифікували лазерний промінь так, щоб він доставляв бажану інформацію в невпорядкованою середовищі.
«Максимально можлива точність вимірювань - це центральний елемент всіх природних наук», - каже Стефан Роттер з TU Wien. - «Наприклад, у величезній установці LIGO, яка використовується для виявлення гравітаційних хвиль, лазерні промені посилають на дзеркало, а зміни відстані між лазером і дзеркалом вимірюються з надзвичайною точністю». Це працює так добре тільки тому, що лазерний промінь проходить через надвисокий вакуум.
«Але давайте уявимо скляну панель, не ідеально прозору, а грубу і невідшліфованих, як вікно у ванній», - продовжує Аллард Моск з Утрехтського університету. «Світло, звичайно, проходить, але заломлюючись. Світлові хвилі змінюються і розсіюються, тому ми не можемо точно побачити об'єкт по іншу сторону вікна неозброєним оком». Аналогічна ситуація відбувається тоді, коли необхідно досліджувати крихітні об'єкти всередині біологічної тканини: невпорядкована середу заважає променю світла. Тоді простий регулярний прямий лазерний промінь перетворюється в складну хвильову структуру, яка відхиляється в усіх напрямках.
Але якщо точно знати, що заважає середовище робить зі світловим променем, можна змінити ситуацію: створити складний йде хвилями замість простого прямого лазерного променя, який перетворюється в точно бажану форму. через заворушення і ударів саме там, де необхідно домогтися найкращого результату. «Щоб досягти цього, вам навіть не потрібно точно знати, що це за порушення», - пояснює Доріан Буше, перший автор дослідження. «Досить спочатку відправити серію пробних хвиль через систему, щоб вивчити, як вони змінюються системою».
Метод був підтверджений експериментально в Утрехтском університеті: лазерні промені прямували через невпорядковану середу в вигляді каламутній пластини. Потім дослідники розрахували оптимальні хвилі для аналізу об'єкта за межами пластини - це вдалося зробити з точністю до нанометрів.
Вчені змогли показати, що метод не тільки працює, а й є оптимальним у фізичному сенсі: «Точність нашого методу обмежена тільки так званим квантовим шумом», - пояснює Аллард Моск. «Цей шум виникає через те, що світло складається з фотонів - з цим нічого не можна вдіяти».