La lumière voyageant dans un milieu déformant peut apparaître non déformée

Une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université du Witwatersrand à Johannesburg, en Afrique du Sud, avec des collaborateurs de l’Université de Pretoria (Afrique du Sud), ainsi que du Mexique et de l’Écosse, a fait une nouvelle découverte sur le comportement de la lumière dans les médias complexes, les médias qui a tendance à déformer considérablement la lumière. Ils ont démontré que la « distorsion » est une question de perspective, décrivant une règle simple qui s’applique à toute la lumière et à une vaste gamme de médias, y compris sous l’eau, la fibre optique, la transmission dans l’atmosphère et même à travers des échantillons biologiques vivants.

Leur nouvelle approche quantique du problème résout un débat permanent sur la robustesse ou non de certaines formes de lumière, corrigeant certaines idées fausses dans la communauté. Surtout, le travail souligne que toute lumière a une propriété qui reste inchangée, une idée qui détient la clé pour démêler le reste de la distorsion perçue. Pour valider la découverte, l’équipe a montré un transport robuste à travers des systèmes autrement très déformants, en utilisant le résultat pour une communication sans erreur via des canaux bruyants.

Photonique de la nature a publié aujourd’hui en ligne les recherches de l’équipe dirigée par le professeur Andrew Forbes de l’École de physique de l’Université de Wits. Dans leur article, l’équipe explique les règles simples qui régissent la propagation complexe de la lumière dans des milieux complexes. Premièrement, ils constatent que tous ces milieux peuvent être traités de la même manière, et que l’analyse ne dépend pas du type de lumière utilisé. Auparavant, chaque choix de média et de faisceau lumineux était traité comme un cas particulier, plus maintenant – la nouvelle théorie générale couvre tout. Deuxièmement, ils montrent qu’en dépit de la distorsion, il existe une propriété de la lumière – sa « vectorité » – qui reste inchangée, invariante au média. Cela est toujours vrai et n’avait pas été remarqué auparavant. Il détient la clé en exploitant la lumière même dans des conditions non idéales.

Si vous faites passer la lumière à travers un milieu imparfait, comme l’atmosphère, elle est déformée. Par exemple, l’effet de mirage scintillant près des routes chaudes ou le scintillement des étoiles sont deux exemples de lumière qui se déforme à cause de la turbulence de l’atmosphère. La lumière peut aussi parfois être délibérément déformée, comme les miroirs d’une fête foraine qui vous font paraître plus grand, plus mince ou plus rond. Dans ce cas, nous comprenons tous que la distorsion n’est qu’une question de perspective – un rapide coup d’œil sur nous-mêmes sans le miroir révèle la réalité – mais est-ce également vrai dans d’autres systèmes déformants ? Y a-t-il un moyen de regarder la lumière pour que la distorsion disparaisse ? L’équipe dirigée par Wits montre que oui, certaines propriétés ne sont jamais déformées, tandis que d’autres peuvent être démêlées par un changement de perspective.

La question est de savoir comment comprendre ce qui arrive à la lumière, comment elle est déformée, et comment trouver la nouvelle perspective ? Pour répondre à ces questions, l’équipe a utilisé la forme de lumière la plus générale possible, la lumière vectorielle. La lumière a un champ électrique dont la direction peut varier à travers le champ, pointe parfois vers le haut, le bas, la gauche, la droite, etc. La « vectorité » d’une lumière est le degré de confusion de la direction du champ électrique d’une lumière. En d’autres termes, c’est une mesure de la similitude des directions des champs électriques d’une lumière à différents endroits : si elle est partout la même (homogène), la valeur est 0, et si elle est partout différente (inhomogène), la valeur est 1. Cette homogénéité vectorielle ne change jamais, même si le modèle du champ électrique lui-même change. La raison est ancrée dans les états intriqués quantiques, un sujet qui semble avoir peu en commun avec les distorsions optiques. La nouvelle découverte a été rendue possible en appliquant des outils du monde quantique au monde des distorsions optiques.

« Ce que nous avons découvert, c’est que la vectorité est le seul attribut de la lumière qui ne se modifie pas lorsqu’elle traverse un média complexe », déclare le professeur Andrew Forbes, de la Wits School of Physics. « Cela signifie que nous avons quelque chose de spécial qui peut être exploité lors de l’utilisation de la lumière pour les communications ou la détection. »

« Il s’agit d’un aspect particulier du motif de la lumière – à quoi ressemble le motif de polarisation », explique Forbes. « La » polarisation « est juste une façon fantaisiste de décrire la direction du champ électrique qui compose la lumière. Le motif est également déformé, mais sa nature intrinsèque (homogène ou inhomogène) ne l’est pas. »

L’approche de l’équipe permet aux chercheurs d’identifier comment corriger les distorsions à travers les médias d’une manière qui ne coûte rien. En d’autres termes, il n’y a pas de perte.

« Nous montrons que même si la lumière est très déformée, la distorsion n’est qu’une question de perspective. On peut voir la lumière de telle manière qu’elle retrouve ses propriétés « non déformées » d’origine. Il est remarquable que la lumière complexe dans des médias complexes puisse être universellement compris à partir de règles très simples. »

Par exemple, en changeant simplement la façon dont une mesure est effectuée, toute communication via un support très déformé peut être rendue « sans distorsion ». L’équipe a montré que cela était vrai expérimentalement à travers une gamme de systèmes, de la turbulence au liquide ou à la fibre optique.