隠れた構造を測定するレーザー技術

レーザービームは、物体の位置や速度を精密に測定するために使用できます。しかし通常、この物体の明確で遮蔽のない視界が必要です。この前提条件が常に満たされるわけではありません。生物医学では、例えば、不規則で複雑な環境に埋め込まれた構造を調べます。そこでレーザービームは偏向、散乱、屈折し、測定から有用なデータを得ることがしばしば不可能になります。

しかし、研究者たちは今、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しました。実際、レーザービームを特定的に修正することで、複雑で無秩序な環境でも、望む情報を正確に、単なる近似ではなく、物理的に最適な方法で提供できます。自然界はコヒーレントレーザー光ではこれ以上の精度を許しません。この新技術は、非常に異なる用途分野でも、さまざまなタイプの波でも使用できます。

「常に最高の測定精度を達成したい——それは自然科学の中心的要素です」とTU WienのStefan Rotter氏は言います。「例えば、巨大なLIGO施設を考えてみてください。重力波を検出するために使用されています。そこではレーザービームをミラーに照射し、レーザーとミラーの距離変化を極めて高精度で測定します。これはレーザービームが超高真空を通過するため、どんなに小さな擾乱も避けられるからこそ、これほどうまく機能します。」

しかし、取り除けない擾乱を扱うとき、何ができるでしょうか？ 完全に透明ではなく、浴室の窓のように粗く磨かれていないガラス板を想像してください。光は通過できますが、直線ではありません。光波は変質し、散乱するため、肉眼では窓の向こう側の物体を正確に見ることはできません。生体組織内の微小物体を調べたいときも状況はよく似ています。無秩序な環境が光ビームを擾乱します。単純で規則的な直線レーザービームが、あらゆる方向に偏向する複雑な波パターンになります。

しかし、擾乱環境が光ビームに何をしているかを正確に知っていれば、状況を逆転させられます。すると、複雑な波パターンを作成でき、それが擾乱によって補正される形に変換され、まさに最良の結果をもたらす場所に到達します。これを達成するために、擾乱が正確に何かを知る必要さえありません。まず試行波のセットをシステムに通して、それらがシステムによってどのように変化するかを研究すれば十分です。

研究者たちは、このテストデータから最適波を計算する数学的手順を開発しました。さまざまな測定において、特定の物体が位置する空間座標など、最大の情報を提供する波が存在することを示せます。

曇りガラスの向こうに隠れた物体を考えてみてください：物体がわずかに右に動いたか、わずかに左に動いたかについて最大量の情報を得るために使用できる最適な光波が存在します。この波は複雑で無秩序に見えますが、曇りガラスによって修正されることで、まさに望まれる形で物体に到達し、実験測定装置に最大限の情報を返します。

この手法が実際に機能することは、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。レーザービームを、曇りプレートという形の無秩序媒質を通しました。媒質の散乱特性が特性評価されました。その後、プレートの向こう側の物体を分析するために最適波が計算されました——これは成功し、ナノメートル範囲の精度で達成されました。

その後、チームはさらなる測定を行い、手法の限界をテストしました。レーザービームの光子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を確認しました。このようにして、この手法が機能するだけでなく、物理的意味でも最適であることを示しました。彼らの手法の精度は、いわゆる量子ノイズによってのみ制限されることがわかりました。このノイズは光が光子で構成されているという事実から生じます——それについては何もできません。しかし、コヒーレントレーザービームに対して量子物理学が許す範囲内で、さまざまなものを測定するための最適波を実際に計算できます。位置だけでなく、物体の動きや回転方向も測定できます。