インビジブルに関する最適な情報

レーザービームを使用して、オブジェクトの位置または速度を正確に測定できます。ただし、通常は、このオブジェクトの明確で遮るもののないビューが必要です。この前提条件が常に満たされるとは限りません。たとえば、生物医学では、不規則で複雑な環境に埋め込まれた構造が調べられます。そこでは、レーザービームが偏向、散乱、屈折し、測定から有用なデータを取得できないことがよくあります。

しかし、研究者たちは、このような複雑な環境でも意味のある結果が得られることを示すことができました。実際、レーザービームを特別に変更して、複雑で無秩序な環境でも、おおよそだけでなく、物理的に最適な方法で、正確に必要な情報を提供する方法があります。自然は、コヒーレントレーザー光でより高い精度を可能にしません。新しいテクノロジーは、さまざまな種類の波でも、非常にさまざまなアプリケーション分野で使用できます。

「常に可能な限り最高の測定精度を達成したいと考えています。これは自然科学の中心的な要素です」と、ウィーン工科大学のSte​​fanRotter氏は言います。 「たとえば、重力波の検出に使用されている巨大なLIGO施設について考えてみましょう。そこで、レーザービームをミラーに送り、レーザーとミラーの間の距離の変化を非常に正確に測定します。」これは、レーザービームが超高真空を通過するため、非常にうまく機能します。どんなに小さなことでも、どんな妨害も避けなければなりません。

しかし、取り除くことができない妨害に対処しているとき、あなたは何ができるでしょうか？完全に透明ではないが、バスルームの窓のように粗くて磨かれていないガラスのパネルを想像してみてください。光は通過できますが、直線では通過できません。光の波が変化して散乱するため、窓の向こう側にある物体を肉眼で正確に見ることはできません。生体組織内の小さな物体を調べたい場合、状況は非常に似ています。無秩序な環境が光線を乱します。単純で規則的な直線のレーザービームは、すべての方向に偏向する複雑な波のパターンになります。

ただし、妨害環境が光線に何をしているのかを正確に知っている場合は、状況を逆転させることができます。次に、複雑な波のパターンを作成することができます。これは、外乱を補正するために必要な形状に正確に変換され、最良の結果をもたらすことができる場所に正しく当たります。これを実現するには、外乱が何であるかを正確に知る必要はありません。最初に一連の試行波をシステムに送信して、システムによってどのように変化するかを調べるだけで十分です。

研究者たちは、このテストデータから最適な波を計算するために使用できる数学的手順を開発しました。さまざまな測定で、たとえば特定のオブジェクトが配置されている空間座標など、最大の情報を提供する特定の波があることを示すことができます。

濁ったガラス板の後ろに隠れているオブジェクトを取り上げます。オブジェクトが少し右に移動したか、少し左に移動したかに関する最大量の情報を取得するために使用できる最適な光波があります。この波は複雑で無秩序に見えますが、混濁したペインによって修正され、目的の方法でオブジェクトに到達し、可能な限り多くの情報を実験測定装置に返します。

この方法が実際に機能するという事実は、ユトレヒト大学（オランダ、ユトレヒト）で実験的に確認されました。レーザー光線は、混濁したプレートの形で無秩序な媒体を通して向けられました。それにより、媒体の散乱挙動が特徴づけられた。次に、プレートの向こう側にある物体を分析するために最適な波が計算されました。これは、ナノメートルの範囲の精度で成功しました。

次に、チームはさらに測定を実行して、メソッドの限界をテストしました。レーザービーム内の光子の数を大幅に減らして、それでも意味のある結果が得られるかどうかを確認しました。このようにして、彼らはこの方法が機能するだけでなく、物理的な意味でも最適であることを示すことができました。彼らは、彼らの方法の精度がいわゆる量子雑音によってのみ制限されることを発見しました。このノイズは、光が光子で構成されているという事実に起因します—それについては何もできません。しかし、量子物理学がコヒーレントレーザービームを可能にする範囲内で、実際に最適な波を計算してさまざまなものを測定することができます。位置だけでなく、オブジェクトの移動や回転方向も。