Brug af støj til at forbedre optisk sansning

Ved konventionelle sansemetoder, støj er altid et problem, især i systemer, der er beregnet til at detektere ændringer i deres miljø, der næppe er større eller endda mindre end støj i systemet. Stødte på dette problem i sine eksperimenter med interagerende fotoner, AMOLF -fysiker Said Rodriguez tænkte på en vej udenom. I en artikel, der vil blive offentliggjort i Fysisk gennemgang anvendt , han demonstrerer, hvordan støj kan omdannes til en ressource til optisk sansning frem for et problem.

"At bruge støj til at forbedre sansemetoder er kontraintuitivt, "siger Said Rodriguez." Forestil dig at prøve at se de største bogstaver i en synstest og mislykkes. Derefter, forestil dig, hvordan et pludseligt jordskælv hjælper dig med at se selv de mindste bogstaver i testen. At ryste luftmolekyler mellem skærmen og dine øjne hjælper dig med at læse de små bogstaver. Dette ligner det, der sker i den optiske sensor, som jeg foreslår. "

Små ændringer i miljøet

Som mange forskere inden for optik, Rodriguez arbejder med resonanssystemer, der kan registrere små ændringer i deres miljø. En typisk optisk sensor er baseret på et hulrum, et tomt rum med laserlys, der resonerer mellem to spejle. Resonansfrekvensen afhænger af, hvad der sker i og omkring hulrummet. "For eksempel, en gas, der strømmer gennem hulrummet, ændrer resonansfrekvensen, men det gør en ændring i temperatur eller tryk, "Rodriguez forklarer." En typisk detektor måler denne ændring i resonansfrekvensen som en ændring i lysintensitet, der kommer ud af hulrummet. Imidlertid, intensitetsudsving, dvs. støj, forstyrrer altid målingen. Den mest almindelige måde at reducere den skadelige virkning af støj på er ved at gennemsnitlige signalet over en lang periode. Dette begrænser registreringshastigheden, mens der i langt de fleste applikationer er stor værdi i at registrere så hurtigt som muligt. I øvrigt, registreringshastigheden er altid begrænset af støj; selvom al klassisk (f.eks. termisk) støj undertrykkes, kvantestøj forbliver. "

Omfavnende støj for hurtigere sansning

Mens de fleste optiske sensorer er lineære - lyset, der kommer ud, er en lineær funktion af, hvad der gik ind - foreslår Rodriguez et optisk sansningsskema baseret på ikke -linearitet, hvilket betyder, at fotoner effektivt kan interagere med hinanden inde i sensoren. "Inde i det optiske hulrum, vi tilføjer et materiale, der påvirker det resonerende lys på en ikke-lineær måde. Lyset, der kommer ud, er ikke en lineær funktion af, hvad der gik ind, men det er bistabilt:for et givet input, output har to mulige værdier, "siger han." På grund af iboende støj i systemet, sensorens output vender tilfældigt mellem disse to værdier. Når hulrumets resonansfrekvens ændres (f.eks. Fordi en partikel kommer ind i hulrummet), ændres dette vendemønster også. "

Analysering af statistikken over vendemønsteret afslører ændringen i resonansfrekvensen. Da støj øger flipphastigheden mellem de to værdier, og en større vendehastighed betyder, at der er brug for mindre tid til at indhente tilstrækkelig statistik, det betyder, at støj gør sensoren hurtigere. Rodriguez:"I konventionelle sensorer øger støj den tid, det tager at registrere noget, der kommer ind i hulrummet, men i denne sensor er detekteringen hurtigere, når der er mere støj. Det er virkelig bemærkelsesværdigt. "

Optimal følsomhed for kvantestøj

Ultimativt, kvantestøj kan aldrig helt undgås, så det er nyttigt at indse sensorer, der omfavner frem for at undgå støj. Rodriguez fandt ud af, at følsomheden af ​​denne støjfavnende sensor også afhænger af støj. "Ligesom registreringshastigheden, følsomheden øges med støj, men ikke kontinuerligt. Det viser sig, at denne sensor kan fungere optimalt i regimet med kvantestøj, "siger han." Dette gør det til et interessant alternativ i regimer, hvor konventionelle sensorer ikke kan fungere særlig godt. "

Rodriguez beregnede den teoretiske detektionshastighedsgrænse for det foreslåede ikke-lineære registreringsskema og sammenlignede det med den teoretiske detektionshastighedsgrænse for en lineær sensor. Fordi det ikke-lineære skema fungerer næsten lige så godt som en lineær metode, han har høje forventninger. Han planlægger teoretisk at undersøge systemet yderligere og til sidst udvikle en fysisk sensor, der omfavner støj. "Lignende metoder er allerede i brug for elektriske systemer, men hidtil har støj aldrig været brugt som en ressource i optisk sansning, "siger han." Ved at vise, hvordan den uundgåelige kvantestøj kan omfavnes til sansning, disse resultater kan skubbe grænserne for, hvad der kan påvises ved hjælp af topmoderne optiske sensorer. "