Článek
Vidět neviditelné: Přelomový interferometr čte milimetrový text na kilometrovou vzdálenost!
Ahoj milí čtenáři a příznivci vědeckých objevů, které posouvají hranice našich smyslů!
Představte si, že dokážete přečíst drobounký text na ceduli vzdálené více než kilometr, a to s neuvěřitelnou ostrostí. Nebo že můžete identifikovat malé úlomky vesmírného smetí kroužící kolem Země s dosud nevídanou přesností. Zní to jako scéna z futuristického filmu? Díky nejnovějšímu výzkumu v oblasti optického zobrazování se tato vize stává realitou. Tým vědců vyvinul inovativní systém založený na intenzitní interferometrii s aktivním laserovým osvětlením, který prokázal schopnost zobrazit milimetrové detaily na vzdálenost 1,36 kilometru. Tento úspěch představuje čtrnáctinásobné zlepšení prostorového rozlišení ve srovnání s použitím jednoho samotného teleskopu a otevírá zcela nové možnosti nejen pro pozemské monitorování, ale i pro pozorování vesmíru.
Kouzlo interferometrie: Více než jen součet částí
Než se ponoříme do specifik tohoto nového systému, pojďme si krátce přiblížit, co je to interferometrie. V astronomii, zejména v radioastronomii, je interferometrie běžnou technikou. Spočívá v tom, že signály z několika různých teleskopů, které pozorují stejný objekt, se chytře zkombinují. U klasické amplitudové interferometrie se sčítají amplitudy vln, přičemž se bere v úvahu jejich vzájemná fáze (tedy to, jak jsou vlny vůči sobě posunuté). Tímto způsobem lze dosáhnout rozlišení, jako byste měli jeden obrovský teleskop o velikosti odpovídající vzdálenosti mezi nejvzdálenějšími teleskopy v poli.
Intenzitní interferometrie: Jiný přístup k vysokému rozlišení
Nový systém však využívá poněkud odlišný princip, známý jako intenzitní interferometrie. Na rozdíl od amplitudové interferometrie se zde nesčítají amplitudy ani se nemusí úzkostlivě zachovávat informace o fázi světla. Místo toho se na dvou oddělených detektorech (teleskopech) zaznamenává světlo z jednoho zdroje a porovnávají se fluktuace (kolísání) intenzity těchto dvou signálů. Prostorová informace o zdroji se získává analýzou toho, jak jsou tyto fluktuace časově korelované (jak spolu souvisí) a jak tato korelace závisí na vzdálenosti mezi detektory.
Ačkoliv může být intuitivní pochopení těchto korelací náročné, existují pro ně jak klasická, tak kvantová vysvětlení. Jedno z kvantových popisů zahrnuje tzv. dvoufotonovou interferenci. Představte si, že foton 1 přichází z levé strany zdroje a dorazí na detektor A ve stejném okamžiku, kdy foton 2 přichází z pravé strany zdroje a dorazí na detektor B. Tento scénář je pozorováním nerozlišitelný od situace, kdy foton 1 dorazí na B a foton 2 na A. Tato nerozlišitelnost vede ke kvantové interferenci, která způsobuje současnou fluktuaci intenzity na obou detektorech. Tato korelace klesá s rostoucí vzdáleností mezi detektory.
Intenzitní interferometrie byla poprvé demonstrována v roce 1956 a ukázala se jako užitečná například při měření průměrů hvězd. Přesto je méně běžná než amplitudová interferometrie, která obvykle nabízí silnější signál ve srovnání se šumem. Existují však situace, kde je světlo částečně „rozscramblované“ (např. průchodem turbulentní atmosférou nebo biologickými tkáněmi), a tam se amplitudová interferometrie stává obtížnou. Právě v takových „neuspořádaných“ situacích může intenzitní interferometrie nabídnout výhody.
Aktivní osvětlení a překonání limitů laseru
Dosud se cíle pro intenzitní interferometrii omezovaly buď na jasné vzdálené objekty (jako hvězdy) nebo na nesvítící objekty, které bylo možné osvětlit blízkým zdrojem. Tým vědců, mezi nimiž figuruje Qiang Zhang z University of Science and Technology of China (USTC), nyní vyvinul intenzitní interferometr pro dálkové zobrazování skrze atmosféru, který využívá aktivní osvětlení.
Systém se skládá ze dvou teleskopů a infračerveného laserového systému instalovaného na stejné optické lavici. Laserové světlo osvětluje cílový objekt, který se v testech týmu nacházel v jiné budově vzdálené 1,36 km. Hlavní výzvou je, že laserové světlo je koherentní – fotony mají vzájemně související fáze – což způsobuje, že pozorované fluktuace intenzity jsou dominantně ovlivněny vnitřními variacemi v laseru (tzv. „shot noise“ neboli fotonový šum).
Aby se tento problém obešel, tým rozdělil svůj 100miliwattový laser na osm paprsků. Každý paprsek putuje mírně odlišnou cestou skrze turbulentní atmosféru, a tak získává odlišnou náhodnou fázovou perturbaci (poruchu). Protiintuitivně právě toto nekoherentní osvětlení (vzniklé z původně koherentního zdroje jeho rozdělením a průchodem atmosférou) umožňuje pozorování interferenčních efektů potřebných pro intenzitní interferometrii.
Demonstrace úžasných schopností: Přečtení písmen na kilometr
K demonstraci schopností systému tým vytvořil sérii 8 mm širokých terčů, každý vyrobený z reflexního materiálu a potištěný písmenem. V experimentu (viz obrázek vlevo ukazující systém a vpravo rekonstruovaná písmena U, S, T, C) byly použity právě tyto iniciály univerzity USTC. Pro generování obrazu vědci měnili vzdálenost mezi oběma teleskopy od 7 do 87 cm. Cílový objekt byl také postupně otáčen o 360°. Detekcí odraženého laserového světla a analýzou korelací ve fluktuacích intenzity mohli vědci rekonstruovat tvary písmen.
Pozorování demonstrovala dosažení rozlišení 3 mm na vzdálenost 1,36 km. Pro srovnání, jeden z použitých teleskopů by sám o sobě měl rozlišení pouze 42 mm – což by bylo naprosto nedostatečné k rozeznání takto malých písmen. Jedná se tedy o skutečně dramatické, čtrnáctinásobné zlepšení.
Budoucnost dálkového vidění: Vylepšení a nové aplikace
Qiang Zhang a jeho kolegové plánují tuto technologii dále rozvíjet. Chtějí zlepšit kontrolu nad laserovým světlem a také plánují začlenit metody hlubokého učení (deep learning) do softwaru pro rekonstrukci obrazu. Podle Zhanga by jednou z potenciálních aplikací mohla být detekce vesmírného smetí – laserové světlo by mohlo být namířeno na blízko obíhající objekty, aby se zjistil jejich tvar a velikost.
Odborníci na tuto technologii reagují s nadšením. Shaurya Aarav, výzkumník v oblasti kvantové optiky ze Sorbonnské univerzity ve Francii, označil novou práci za „významný technický pokrok v zobrazování vzdálených objektů, které nevyzařují vlastní světlo“. Představuje si, že by tento systém dálkového zobrazování mohl mít několik aplikací, včetně monitorování populací hmyzu nad zemědělskou půdou. Ilya Starshynov, expert na optiku z University of Glasgow ve Velké Británii, je ohromen „chytrým“ systémem pro doručení nekoherentního světla na vzdálený cíl. „Skutečnost, že dokáží zobrazit objekty milimetrové velikosti na vzdálenosti přes kilometr, je skutečně působivá,“ říká.
Širší kontext a význam objevu
Tento objev je důležitý hned z několika důvodů:
- Překonání atmosférických poruch: Schopnost získat ostré obrazy přes kilometr turbulentní atmosféry je velkým krokem vpřed. Atmosférická turbulence je notoricky známým problémem pro pozemní teleskopy, rozmazává obrazy a omezuje rozlišení. Technika intenzitní interferometrie, zvláště s aktivním nekoherentním osvětlením, se zdá být vůči těmto poruchám odolnější.
- Zobrazování nesvítících objektů: Možnost aktivně osvětlit a následně detailně zobrazit vzdálené objekty, které samy o sobě nevyzařují dostatek světla (nebo žádné), je klíčová pro mnoho aplikací, od sledování až po vědecký výzkum.
- Vylepšené rozlišení: Dosáhnout milimetrového rozlišení na kilometrovou vzdálenost je technologický výkon, který otevírá dveře k pozorování detailů, jež byly dříve nedosažitelné standardními metodami srovnatelné velikosti a složitosti.
- Alternativa k amplitudové interferometrii: V situacích, kde je fázová informace snadno narušena, nabízí intenzitní interferometrie robustní alternativu.
Výzvy a další směřování
Ačkoliv je tato technologie velmi slibná, jistě existují i výzvy a oblasti pro další zlepšování. Patří mezi ně například:
- Efektivita sběru světla: Intenzitní interferometrie může vyžadovat delší expoziční časy nebo velmi citlivé detektory, protože pracuje s fluktuacemi intenzity, které mohou být malé.
- Složitost rekonstrukce obrazu: Ačkoliv se plánuje zapojení hlubokého učení, rekonstrukce obrazu z korelačních dat je výpočetně náročný proces.
- Škálovatelnost na větší vzdálenosti a menší detaily: Bude zajímavé sledovat, jak se tato technika bude škálovat pro ještě větší vzdálenosti nebo pro zobrazování ještě menších detailů. To může vyžadovat větší separaci teleskopů, výkonnější lasery nebo pokročilejší metody zpracování signálu.
- Robustnost v různých podmínkách: Další testování ukáže, jak si systém poradí s různými úrovněmi atmosférické turbulence, různými typy cílových objektů a různými světelnými podmínkami okolí.
Závěrem: Nové oči pro vědu i praxi
Nový zobrazovací systém založený na aktivní optické intenzitní interferometrii, vyvinutý týmem zahrnujícím vědce z University of Science and Technology of China, představuje skutečný průlom v naší schopnosti „vidět“ na dálku. Možnost číst milimetrová písmena na vzdálenost přesahující kilometr není jen technickou kuriozitou; je to demonstrace síly inovativních fyzikálních principů a chytrého inženýrství.
Potenciální aplikace sahají od praktických úkolů, jako je monitorování životního prostředí, inspekce vzdálených struktur nebo již zmíněná detekce vesmírného smetí, až po fundamentální vědecký výzkum, který by mohl zahrnovat nové metody pozorování v astronomii nebo biomedicíně. Jak uvedl Michael Schirber, autor původního článku v časopise Physics, tento vývoj rozšiřuje naše obzory a dává nám nové, ostřejší „oči“ pro zkoumání světa kolem nás, blízkého i vzdáleného.
Jsme svědky toho, jak se kdysi teoretické koncepty kvantové optiky a pokročilé zpracování signálů přetavují v nástroje s reálným dopadem. Bude fascinující sledovat, jaké další objevy a aplikace tato technologie v budoucnu přinese.
Co si o tomto pokroku myslíte vy? Jaké další využití by podle vás mohl tento „superzrak“ mít? Podělte se o své názory v komentářích!
