Información óptima sobre lo invisible

Los rayos láser se pueden utilizar para medir con precisión la posición o la velocidad de un objeto. Normalmente, sin embargo, se requiere una vista clara y sin obstrucciones de este objeto, y este requisito previo no siempre se cumple. En biomedicina, por ejemplo, se examinan estructuras que están incrustadas en un entorno irregular y complicado. Allí, el rayo láser se desvía, se dispersa y se refracta, lo que a menudo hace imposible obtener datos útiles de la medición.

Sin embargo, los investigadores ahora han podido demostrar que se pueden obtener resultados significativos incluso en entornos tan complicados. De hecho, hay una manera de modificar específicamente el rayo láser para que entregue exactamente la información deseada incluso en un entorno complejo y desordenado, y no solo aproximadamente, sino de una manera físicamente óptima. La naturaleza no permite una mayor precisión con la luz láser coherente. La nueva tecnología se puede utilizar en campos de aplicación muy diferentes, incluso con diferentes tipos de olas.

“Siempre desea lograr la mejor precisión de medición posible; ese es un elemento central de las ciencias naturales”, dice Stefan Rotter de TU Wien. “Pensemos, por ejemplo, en la enorme instalación LIGO, que se utiliza para detectar ondas gravitacionales. Allí, envías rayos láser a un espejo y los cambios en la distancia entre el láser y el espejo se miden con extrema precisión”. Esto solo funciona tan bien porque el rayo láser se envía a través de un vacío ultraalto. Debe evitarse cualquier perturbación, por pequeña que sea.

Pero, ¿qué puedes hacer cuando estás lidiando con perturbaciones que no se pueden eliminar? Imagine un panel de vidrio que no sea perfectamente transparente, sino áspero y sin pulir como la ventana de un baño. La luz puede pasar, pero no en línea recta. Las ondas de luz se alteran y dispersan, por lo que no podemos ver con precisión un objeto al otro lado de la ventana a simple vista. La situación es bastante similar cuando desea examinar objetos diminutos dentro del tejido biológico:el entorno desordenado perturba el haz de luz. El rayo láser simple, regular y recto se convierte en un patrón de onda complicado que se desvía en todas las direcciones.

Sin embargo, si sabe exactamente qué le está haciendo el entorno perturbador al haz de luz, puede revertir la situación. Entonces es posible crear un patrón de onda complicado, que se transforma exactamente en la forma necesaria para corregir las perturbaciones, y golpea justo donde puede ofrecer el mejor resultado. Para lograr esto, ni siquiera necesita saber exactamente cuáles son las perturbaciones, basta con enviar primero un conjunto de ondas de prueba a través del sistema para estudiar cómo el sistema las modifica.

Los investigadores desarrollaron un procedimiento matemático que luego se puede usar para calcular la onda óptima a partir de estos datos de prueba. Se puede demostrar que para varias mediciones hay ciertas ondas que entregan un máximo de información como, por ejemplo, sobre las coordenadas espaciales en las que se encuentra un determinado objeto.

Tomemos un objeto que está escondido detrás de un cristal turbio:hay una onda de luz óptima que se puede utilizar para obtener la máxima cantidad de información sobre si el objeto se ha movido un poco hacia la derecha o un poco hacia la izquierda. Esta onda parece complicada y desordenada, pero luego es modificada por el panel turbio de tal manera que llega al objeto exactamente de la manera deseada y devuelve la mayor cantidad de información posible al aparato de medición experimental.

El hecho de que el método realmente funcione se confirmó experimentalmente en la Universidad de Utrecht (Utrecht, Países Bajos). Los rayos láser se dirigieron a través de un medio desordenado en forma de placa turbia. De este modo se caracterizó el comportamiento de dispersión del medio. Luego, se calcularon las ondas óptimas para analizar un objeto más allá de la placa; esto tuvo éxito, con una precisión en el rango de nanómetros.

Luego, el equipo llevó a cabo más mediciones para probar los límites de su método. La cantidad de fotones en el rayo láser se redujo significativamente para ver si todavía se obtiene un resultado significativo. De esta forma, pudieron demostrar que el método no solo funciona sino que incluso es óptimo en un sentido físico. Descubrieron que la precisión de su método solo está limitada por el llamado ruido cuántico. Este ruido se debe al hecho de que la luz consiste en fotones; no se puede hacer nada al respecto. Pero dentro de los límites de lo que permite la física cuántica para un rayo láser coherente, en realidad podemos calcular las ondas óptimas para medir diferentes cosas. No solo la posición, sino también el movimiento o la dirección de rotación de los objetos.