Informasi Optimal Tentang Yang Tak Terlihat

Sinar laser dapat digunakan untuk mengukur posisi atau kecepatan objek secara tepat. Biasanya, bagaimanapun, pandangan yang jelas dan tidak terhalang dari objek ini diperlukan — dan prasyarat ini tidak selalu terpenuhi. Dalam biomedis, misalnya, struktur diperiksa yang tertanam dalam lingkungan yang tidak teratur dan rumit. Di sana, sinar laser dibelokkan, dihamburkan, dan dibiaskan, sehingga seringkali tidak memungkinkan untuk memperoleh data yang berguna dari pengukuran.

Namun, para peneliti kini telah dapat menunjukkan bahwa hasil yang berarti dapat diperoleh bahkan di lingkungan yang begitu rumit. Memang, ada cara untuk secara khusus memodifikasi sinar laser sehingga memberikan informasi yang diinginkan dengan tepat bahkan di lingkungan yang kompleks dan tidak teratur — dan tidak hanya secara perkiraan, tetapi dengan cara yang optimal secara fisik. Alam tidak memungkinkan untuk lebih presisi dengan sinar laser yang koheren. Teknologi baru ini dapat digunakan di berbagai bidang aplikasi, bahkan dengan jenis gelombang yang berbeda.

“Anda selalu ingin mencapai akurasi pengukuran terbaik — itu adalah elemen utama dari ilmu alam,” kata Stefan Rotter dari TU Wien. “Mari kita pikirkan, misalnya, fasilitas LIGO yang sangat besar, yang digunakan untuk mendeteksi gelombang gravitasi. Di sana, Anda mengirim sinar laser ke cermin, dan perubahan jarak antara laser dan cermin diukur dengan sangat presisi.” Ini hanya bekerja dengan baik karena sinar laser dikirim melalui vakum ultra-tinggi. Gangguan apa pun, sekecil apa pun, harus dihindari.

Tapi apa yang bisa Anda lakukan ketika berhadapan dengan gangguan yang tidak bisa dihilangkan? Bayangkan sebuah panel kaca yang tidak transparan sempurna, tetapi kasar dan tidak dipoles seperti jendela kamar mandi. Cahaya dapat melewatinya, tetapi tidak dalam garis lurus. Gelombang cahaya diubah dan tersebar, sehingga kita tidak dapat melihat objek di sisi lain jendela dengan mata telanjang. Situasinya sangat mirip ketika Anda ingin memeriksa benda-benda kecil di dalam jaringan biologis:lingkungan yang tidak teratur mengganggu berkas cahaya. Sinar laser lurus yang sederhana dan teratur kemudian menjadi pola gelombang rumit yang dibelokkan ke segala arah.

Namun, jika Anda tahu persis apa yang dilakukan lingkungan yang mengganggu terhadap berkas cahaya, Anda dapat membalikkan keadaan. Kemudian dimungkinkan untuk membuat pola gelombang yang rumit, yang diubah menjadi bentuk yang tepat yang diperlukan untuk mengoreksi gangguan, dan mengenai tepat di tempat yang dapat memberikan hasil terbaik. Untuk mencapai hal ini, Anda bahkan tidak perlu tahu persis apa gangguannya, cukup dengan mengirimkan serangkaian gelombang percobaan terlebih dahulu melalui sistem untuk mempelajari bagaimana mereka diubah oleh sistem.

Para peneliti mengembangkan prosedur matematis yang kemudian dapat digunakan untuk menghitung gelombang optimal dari data uji ini. Dapat ditunjukkan bahwa untuk berbagai pengukuran terdapat gelombang tertentu yang menyampaikan informasi secara maksimal seperti misalnya pada koordinat spasial tempat suatu objek berada.

Ambil objek yang tersembunyi di balik panel kaca yang keruh:ada gelombang cahaya optimal yang dapat digunakan untuk memperoleh informasi sebanyak mungkin tentang apakah objek telah bergerak sedikit ke kanan atau sedikit ke kiri. Gelombang ini terlihat rumit dan tidak teratur tetapi kemudian dimodifikasi oleh panel keruh sedemikian rupa sehingga tiba di objek dengan cara yang diinginkan dan mengembalikan informasi sebanyak mungkin ke alat pengukur eksperimental.

Fakta bahwa metode ini benar-benar bekerja telah dikonfirmasi secara eksperimental di Universitas Utrecht (Utrecht, Belanda). Sinar laser diarahkan melalui media yang tidak teratur dalam bentuk pelat keruh. Perilaku hamburan media dengan demikian ditandai. Kemudian gelombang optimal dihitung untuk menganalisis objek di luar pelat — ini berhasil, dengan presisi dalam rentang nanometer.

Kemudian tim melakukan pengukuran lebih lanjut untuk menguji batas metode mereka. Jumlah foton dalam sinar laser dikurangi secara signifikan untuk melihat apakah satu foton masih mendapatkan hasil yang berarti. Dengan cara ini, mereka mampu menunjukkan bahwa metode ini tidak hanya bekerja tetapi bahkan optimal dalam arti fisik. Mereka menemukan bahwa ketepatan metode mereka hanya dibatasi oleh apa yang disebut kebisingan kuantum. Kebisingan ini dihasilkan dari fakta bahwa cahaya terdiri dari foton — tidak ada yang bisa dilakukan untuk itu. Tetapi dalam batas-batas yang dimungkinkan oleh fisika kuantum untuk sinar laser yang koheren, kita sebenarnya dapat menghitung gelombang optimal untuk mengukur hal-hal yang berbeda. Tidak hanya posisi, tetapi juga pergerakan atau arah rotasi benda.