Licht, das sich in einem verzerrenden Medium bewegt, kann unverzerrt erscheinen

Ein Team unter der Leitung von Forschern der University of the Witwatersrand in Johannesburg, Südafrika, mit Mitarbeitern der University of Pretoria (Südafrika) sowie Mexiko und Schottland hat eine neue Entdeckung darüber gemacht, wie sich Licht in komplexen Medien, Medien, verhält das neigt dazu, das Licht erheblich zu verzerren. Sie demonstrierten, dass „Verzerrung“ eine Frage der Perspektive ist, indem sie eine einfache Regel umrissen, die für alles Licht und eine Vielzahl von Medien gilt, einschließlich Unterwasser, Glasfaser, Übertragung in der Atmosphäre und sogar durch lebende biologische Proben.

Ihr neuartiger Quantenansatz für das Problem löst eine anhaltende Debatte darüber, ob einige Lichtformen robust sind oder nicht, und korrigiert einige Missverständnisse in der Community. Wichtig ist, dass die Arbeit umreißt, dass alles Licht eine Eigenschaft hat, die unverändert bleibt, eine Einsicht, die den Schlüssel zur Enträtselung des Rests der wahrgenommenen Verzerrung enthält. Um das Ergebnis zu validieren, zeigte das Team einen robusten Transport durch ansonsten stark verzerrende Systeme und nutzte das Ergebnis für eine fehlerfreie Kommunikation über verrauschte Kanäle.

Naturphotonik veröffentlichte heute online die Forschungsergebnisse des Teams unter der Leitung von Professor Andrew Forbes von der School of Physics der Wits University. In ihrer Arbeit erläutert das Team die einfachen Regeln, die die komplexe Lichtausbreitung in komplexen Medien regeln. Erstens stellen sie fest, dass alle diese Medien auf die gleiche Weise behandelt werden können und dass die Analyse nicht von der Art des verwendeten Lichts abhängt. Früher wurde jede Wahl von Medien und Lichtstrahl als Sonderfall behandelt, nicht mehr so ​​– die neue allgemeine Theorie deckt alles ab. Zweitens zeigen sie, dass trotz der Verzerrung eine Eigenschaft des Lichts – seine „Vektorität“ – unverändert bleibt, unveränderlich für die Medien. Das ist immer so und war vorher nicht aufgefallen. Es hält den Schlüssel und nutzt das Licht auch unter nicht idealen Bedingungen aus.

Wenn Sie Licht durch ein unvollkommenes Medium wie die Atmosphäre leiten, wird es verzerrt. Beispielsweise sind der schimmernde Trugbildeffekt in der Nähe heißer Straßen oder das Funkeln von Sternen beide Beispiele für Licht, das aufgrund der Turbulenzen der Atmosphäre verzerrt wird. Licht kann manchmal auch absichtlich verzerrt werden, wie die Spiegel auf einem Jahrmarkt, die Sie größer, dünner oder runder erscheinen lassen. In diesem Fall verstehen wir alle, dass die Verzerrung nur eine Frage der Perspektive ist – ein kurzer Blick auf uns selbst ohne den Spiegel offenbart die Realität – aber gilt dies auch für andere Verzerrungssysteme? Gibt es eine Möglichkeit, das Licht so zu betrachten, dass die Verzerrung verschwindet? Das von Wits geleitete Team zeigt, dass einige Eigenschaften niemals verzerrt werden, während andere durch einen Perspektivwechsel enträtselt werden können.

Die Frage ist, wie man versteht, was mit dem Licht passiert, wie es verzerrt wird und wie man die neue Perspektive findet. Um diese Fragen zu beantworten, verwendete das Team die allgemeinste Form von Licht, die möglich ist, vektorielles Licht. Licht hat ein elektrisches Feld, dessen Richtung über das Feld hinweg variieren kann, manchmal zeigt es nach oben, unten, links, rechts und so weiter. Die „Vektorität“ eines Lichts gibt an, wie durcheinander die Richtung des elektrischen Felds eines Lichts ist. Mit anderen Worten, es ist ein Maß dafür, wie ähnlich die Richtungen der elektrischen Felder eines Lichts an verschiedenen Orten sind: wenn es überall gleich (homogen) ist, ist der Wert 0, und wenn es überall unterschiedlich (inhomogen) ist, ist der Wert ist 1. Diese vektorielle Homogenität ändert sich nie, selbst wenn sich das Muster des elektrischen Feldes selbst ändert. Der Grund liegt in quantenverschränkten Zuständen, ein Thema, das mit optischen Verzerrungen wenig gemein zu haben scheint. Die neue Entdeckung wurde durch die Anwendung von Werkzeugen aus der Quantenwelt auf die Welt der optischen Verzerrungen ermöglicht.

„Wir haben herausgefunden, dass die Vektorhaftigkeit das einzige Attribut des Lichts ist, das sich nicht ändert, wenn es durch komplexe Medien geht“, sagt Professor Andrew Forbes von der Wits School of Physics. „Das bedeutet, dass wir etwas Besonderes haben, das ausgenutzt werden kann, wenn wir Licht für Kommunikation oder Sensorik verwenden.“

„Das ist ein besonderer Aspekt des Lichtmusters – wie das Polarisationsmuster aussieht“, sagt Forbes. „Die ‚Polarisierung‘ ist nur eine ausgefallene Art, die Richtung des elektrischen Felds zu beschreiben, aus dem Licht besteht. Das Muster ist ebenfalls verzerrt, aber seine intrinsische Natur (homogen oder inhomogen) ist es nicht.“

Der Ansatz des Teams ermöglicht es den Forschern, herauszufinden, wie Verzerrungen durch die Medien auf eine Weise korrigiert werden können, die kein Licht kostet. Mit anderen Worten, es gibt keinen Verlust.

„Wir zeigen, dass, obwohl das Licht sehr verzerrt ist, die Verzerrung nur eine Frage der Perspektive ist. Man kann das Licht so betrachten, dass es seine ursprünglichen ‚unverzerrten‘ Eigenschaften wiedererlangt. Es ist bemerkenswert, dass komplexes Licht in komplexen Medien möglich ist von sehr einfachen Regeln allgemein verstanden werden.“

Beispielsweise kann durch einfaches Ändern der Art und Weise, wie eine Messung durchgeführt wird, jede Kommunikation durch ein sehr verzerrtes Medium „verzerrungsfrei“ gemacht werden. Das Team zeigte experimentell anhand einer Reihe von Systemen, von Turbulenz bis hin zu Flüssigkeiten oder Glasfasern, dass dies zutrifft.