Nonlocal wavefront shaping through complex media
Questo articolo dimostra sperimentalmente la modellazione non locale del fronte d'onda utilizzando coppie di fotoni spazialmente entangled per compensare le distorsioni in mezzi complessi, applicando correzioni di fase a un fotone che non interagisce mai con il mezzo diffusivo, disaccoppiando così fisicamente il processo di correzione dal percorso ottico e consentendo sistemi di imaging compatti.
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Immaginate di cercare di vedere un'immagine nitida attraverso una finestra spessa e nuvolosa. Quando la luce attraversa un materiale così disordinato, viene rimescolata, trasformando un'immagine nitida in un confuso insieme di puntini. Questo è un grande ostacolo per gli scienziati che vogliono guardare in profondità all'interno di tessuti viventi o vedere attraverso ambienti industriali nebbiosi. Per decenni, la soluzione standard è stata quella di posizionare uno specchio speciale e regolabile direttamente nel percorso della luce, proprio dove avviene il disordine. Questo specchio agisce come una lente correttiva, rimodellando le onde luminose per annullare la distorsione. Tuttavia, questo approccio ha un limite rigoroso: lo specchio deve trovarsi fisicamente proprio accanto al materiale disordinato. In molte situazioni reali, come all'interno di un microscopio minuscolo o di una macchina sigillata, semplicemente non c'è spazio per inserire questa attrezzatura di correzione dove è necessaria.
Un team di ricercatori ha ora dimostrato un modo per risolvere questo problema utilizzando una strana proprietà della fisica quantistica chiamata entanglement. Hanno dimostrato che è possibile correggere la distorsione della luce che passa attraverso un materiale disordinato regolando un fascio di luce completamente diverso che non tocca affatto il disordine. Nel loro esperimento, hanno creato coppie di particelle di luce legate tra loro in modo così intimo che ciò che accade a una influenza istantaneamente l'altra, indipendentemente dalla distanza. Una particella della coppia è stata inviata attraverso uno strato diffusivo, mentre la sua compagna ha percorso un percorso pulito e chiaro. Modellando attentamente il fronte d'onda della compagna pulita, il team è stato in grado di annullare il rimescolamento avvenuto alla compagna disordinata. Ciò ha permesso efficacemente di ripristinare un'immagine nitida senza mai posizionare un dispositivo di correzione vicino all'ostacolo.
I ricercatori hanno testato questa idea in tre diversi scenari, che vanno da distorsioni semplici a rimescolamenti estremamente complessi. Per prima cosa, hanno utilizzato un foglio di plastica sottile e flessibile per creare distorsioni lievi e di basso ordine. Applicando un modello specifico di correzioni alla compagna pulita, sono riusciti a ripristinare la connessione nitida tra le due particelle. Successivamente, si sono spostati in un regime in cui la luce colpisce il materiale una sola volta, utilizzando uno strato di carta oleata per simulare un singolo evento di diffusione. Qui, hanno utilizzato un algoritmo informatico per trovare il giusto modello di correzione, recuperando con successo la connessione perduta. Infine, hanno simulato una situazione molto più difficile in cui la luce rimbalza molte volte, come in una spessa pila di carta oleata. Sebbene la correzione fosse meno perfetta in questo ambiente caotico, hanno dimostrato che il metodo funzionava ancora, specialmente quando si concentravano sul ripristino della connessione per coppie specifiche di punti piuttosto che per l'intera immagine contemporaneamente.
Ciò che rende questa scoperta significativa è che separa fisicamente il problema dalla soluzione. La luce che ha bisogno di essere sistemata e il dispositivo che la sistema non devono più trovarsi nello stesso posto. Questo apre la porta a sistemi di imaging molto più piccoli e versatili rispetto al passato. Ad esempio, un microscopio potrebbe essere reso abbastanza compatto da adattarsi in spazi ristretti, con la complessa macchina di correzione situata in sicurezza all'esterno del dispositivo, collegata solo dal legame quantistico. Sebbene l'attuale tecnologia richieda apparecchiature sensibili e tempo per calcolare le corrette correzioni, il principio è stato dimostrato efficace. I ricercatori suggeriscono che, man mano che le fotocamere e le sorgenti luminose miglioreranno, questo approccio non locale potrebbe diventare uno strumento pratico per vedere chiaramente attraverso materiali che prima erano impossibili da penetrare.
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