Optimale informatie over het onzichtbare

Laserstralen kunnen worden gebruikt om de positie of snelheid van een object nauwkeurig te meten. Normaal gesproken is echter een duidelijk, vrij zicht op dit object vereist - en aan deze voorwaarde wordt niet altijd voldaan. In de biogeneeskunde wordt bijvoorbeeld gekeken naar structuren die zijn ingebed in een onregelmatige, gecompliceerde omgeving. Daar wordt de laserstraal afgebogen, verstrooid en gebroken, waardoor het vaak onmogelijk is om bruikbare gegevens uit de meting te verkrijgen.

Onderzoekers hebben nu echter kunnen aantonen dat zelfs in dergelijke gecompliceerde omgevingen zinvolle resultaten kunnen worden verkregen. Er is inderdaad een manier om de laserstraal specifiek aan te passen zodat deze precies de gewenste informatie levert, zelfs in een complexe, ongeordende omgeving - en niet slechts bij benadering, maar op een fysiek optimale manier. De natuur staat niet meer precisie toe met coherent laserlicht. De nieuwe technologie kan in zeer verschillende toepassingsgebieden worden gebruikt, zelfs met verschillende soorten golven.

"Je wilt altijd de best mogelijke meetnauwkeurigheid bereiken - dat is een centraal element van de natuurwetenschappen", zegt Stefan Rotter van de TU Wien. “Laten we bijvoorbeeld denken aan de enorme LIGO-faciliteit, die wordt gebruikt om zwaartekrachtsgolven te detecteren. Daar stuur je laserstralen op een spiegel en worden veranderingen in de afstand tussen de laser en de spiegel met uiterste precisie gemeten.” Dit werkt alleen zo goed omdat de laserstraal door een ultrahoog vacuüm wordt gestuurd. Elke verstoring, hoe klein ook, moet worden vermeden.

Maar wat kunt u doen als u te maken heeft met verstoringen die niet weg te nemen zijn? Stel je een paneel van glas voor dat niet perfect transparant is, maar ruw en ongepolijst als een badkamerraam. Licht kan er wel doorheen, maar niet in een rechte lijn. De lichtgolven worden veranderd en verstrooid, dus we kunnen een object aan de andere kant van het raam niet nauwkeurig zien met het blote oog. De situatie is vergelijkbaar als je kleine objecten in biologisch weefsel wilt onderzoeken:de ongeordende omgeving verstoort de lichtstraal. De eenvoudige, regelmatige rechte laserstraal wordt dan een gecompliceerd golfpatroon dat in alle richtingen wordt afgebogen.

Als je echter precies weet wat de storende omgeving met de lichtstraal doet, kun je de situatie omkeren. Dan is het mogelijk om een ​​ingewikkeld golfpatroon te creëren, dat wordt omgezet in precies de vorm die nodig is om de verstoringen te corrigeren, en precies daar raakt waar het het beste resultaat kan opleveren. Om dit te bereiken, hoeft u niet eens precies te weten wat de storingen zijn, het volstaat om eerst een reeks proefgolven door het systeem te sturen om te bestuderen hoe ze door het systeem worden veranderd.

De onderzoekers ontwikkelden een wiskundige procedure die vervolgens kan worden gebruikt om de optimale golf uit deze testgegevens te berekenen. Aangetoond kan worden dat er voor verschillende metingen bepaalde golven zijn die een maximum aan informatie leveren zoals bijvoorbeeld over de ruimtelijke coördinaten waarop een bepaald object zich bevindt.

Neem een ​​object dat verstopt zit achter een troebele ruit:er is een optimale lichtgolf die gebruikt kan worden om zoveel mogelijk informatie te krijgen of het object iets naar rechts of iets naar links is bewogen. Deze golf ziet er ingewikkeld en ongeordend uit, maar wordt vervolgens door de troebele ruit zodanig aangepast dat hij precies op de gewenste manier bij het object aankomt en de grootst mogelijke hoeveelheid informatie teruggeeft aan het experimentele meetapparaat.

Dat de methode echt werkt, werd experimenteel bevestigd aan de Universiteit Utrecht (Utrecht, Nederland). Laserstralen werden gericht door een ongeordend medium in de vorm van een troebele plaat. Daarbij werd het verstrooiingsgedrag van het medium gekarakteriseerd. Vervolgens werden de optimale golven berekend om een ​​object buiten de plaat te analyseren - dit is gelukt, met een precisie in het nanometerbereik.

Daarna voerde het team verdere metingen uit om de grenzen van hun methode te testen. Het aantal fotonen in de laserstraal werd aanzienlijk verminderd om te zien of men dan nog een zinvol resultaat krijgt. Zo konden ze aantonen dat de methode niet alleen werkt, maar zelfs fysiek optimaal is. Ze ontdekten dat de precisie van hun methode alleen wordt beperkt door de zogenaamde kwantumruis. Deze ruis komt voort uit het feit dat licht uit fotonen bestaat - daar is niets aan te doen. Maar binnen de grenzen van wat de kwantumfysica toelaat voor een coherente laserstraal, kunnen we de optimale golven berekenen om verschillende dingen te meten. Niet alleen de positie, maar ook de beweging of de draairichting van objecten.