導(dǎo)讀

據(jù)奧地利維也納技術(shù)大學(xué)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(fù)雜、無序的環(huán)境中準(zhǔn)確地傳遞所需的信息。這項(xiàng)新技術(shù)可以應(yīng)用于非常不同的領(lǐng)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(dá)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(guān)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(xué)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(fù)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(xué)（荷蘭）和維也納技術(shù)大學(xué)（奧地利維也納）的研究人員展示，他們在如此復(fù)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(fù)雜、無序的環(huán)境中準(zhǔn)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(xiàng)新技術(shù)可以應(yīng)用于非常不同的領(lǐng)域，甚至可以用在不同類型的波中。相關(guān)論文現(xiàn)在已經(jīng)刊登在科學(xué)雜志《自然·物理學(xué)》（Nature Physics）上。

下圖所示：當(dāng)光線被無序的結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)時，評估目標(biāo)的位置會變得困難。這項(xiàng)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(dá)到最優(yōu)的評估精度。

（圖片來源：維也納技術(shù)大學(xué)）

技術(shù)維也納技術(shù)大學(xué)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(xué)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(shè)施。在這個設(shè)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?yàn)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(dāng)你面對無法消除的干擾時，該怎么辦？烏特勒支大學(xué)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(zhǔn)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(fù)雜的波形，向各個方向偏轉(zhuǎn)。可是，如果你確切地知道干擾環(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(fù)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(xiàng)研究的第一作者多里安·布歇特（Dorian Bouchet）解釋說：“要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，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(yàn)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(shù)大學(xué)）

參與這項(xiàng)工作的科學(xué)家們共同開發(fā)了一個數(shù)學(xué)程序，然后這個程序可用于從該測試數(shù)據(jù)中計(jì)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(biāo)?！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(guān)該物體是向右還是向左移動一點(diǎn)的最大量信息。這個波看起來復(fù)雜且無序，但隨后被渾濁的窗戶玻璃進(jìn)行了修改，使其以所需的精確方式到達(dá)物體，并向?qū)嶒?yàn)測量設(shè)備返回盡可能多的信息量。烏特勒支大學(xué)通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該方法確實(shí)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(jì)算出最佳波，以便分析板后的物體。他們?nèi)〉昧顺晒Γ仍诩{米范圍內(nèi)。然后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行進(jìn)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(shí)引起了這種噪聲，我們對此無能無力。但是在量子物理學(xué)允許我們對相干激光束進(jìn)行控制的范圍內(nèi)，我們實(shí)際上可以計(jì)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(yùn)動或旋轉(zhuǎn)方向?！眱r值這些成果是在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)納米級成像項(xiàng)目的背景下獲得的，這個項(xiàng)目由大學(xué)與工業(yè)伙伴合作開展。這項(xiàng)新技術(shù)可能的應(yīng)用領(lǐng)域包括：微生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)芯片的生產(chǎn)，在這些領(lǐng)域中極其精確的測量都是必不可少的。

關(guān)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