Bij conventionele detectiemethoden, geluid is altijd een probleem, vooral in systemen die bedoeld zijn om veranderingen in hun omgeving te detecteren die nauwelijks groter of zelfs kleiner zijn dan de ruis in het systeem. Toen hij dit probleem ondervond in zijn experimenten met op elkaar inwerkende fotonen, AMOLF-natuurkundige Said Rodriguez bedacht een manier om het te omzeilen. In een artikel dat wordt gepubliceerd in Fysieke beoordeling toegepast , hij laat zien hoe ruis kan worden omgezet in een hulpmiddel voor optische waarneming in plaats van een probleem.

"Het gebruik van ruis om detectiemethoden te verbeteren is contra-intuïtief, " zegt Said Rodriguez. "Stel je voor dat je probeert de grootste letters te zien in een visietest en faalt. Vervolgens, stel je voor hoe een plotselinge aardbeving je helpt om zelfs de kleinste letters in de test te zien. Schuddende luchtmoleculen tussen het scherm en je ogen helpen je om de kleine letters te lezen. Dit is vergelijkbaar met wat er gebeurt in de optische sensor die ik voorstel."

Kleine veranderingen in de omgeving

Zoals veel onderzoekers op het gebied van optica, Rodriguez werkt met resonantiesystemen die kleine veranderingen in hun omgeving kunnen detecteren. Een typische optische sensor is gebaseerd op een holte, een lege ruimte met laserlicht dat resoneert tussen twee spiegels. De resonantiefrequentie is afhankelijk van wat er in en rond de holte gebeurt. "Bijvoorbeeld, een gas dat door de holte stroomt, verandert de resonantiefrequentie, maar dat geldt ook voor een verandering in temperatuur of druk, Rodriguez legt uit. "Een typische detector meet deze verandering in de resonantiefrequentie als een verandering in intensiteit van het licht dat uit de holte komt. Echter, intensiteitsschommelingen, d.w.z., lawaai, altijd de meting verstoren. De meest gebruikelijke manier om het schadelijke effect van ruis te verminderen, is door het signaal over een lange periode te middelen. Dit beperkt de detectiesnelheid, terwijl het in de overgrote meerderheid van de toepassingen van groot belang is om zo snel mogelijk te detecteren. Bovendien, de detectiesnelheid wordt altijd beperkt door ruis; zelfs als alle klassieke (bijv. thermische) ruis wordt onderdrukt, kwantumruis blijft."

Ruis omarmen voor snellere waarneming

Hoewel de meeste optische sensoren lineair zijn - het licht dat eruit komt is een lineaire functie van wat erin ging - stelt Rodriguez een optisch detectieschema voor op basis van niet-lineariteit, wat betekent dat fotonen effectief met elkaar kunnen interageren in de sensor. "In de optische holte, we voegen een materiaal toe dat het resonerende licht op een niet-lineaire manier beïnvloedt. Het licht dat naar buiten komt, is geen lineaire functie van wat erin ging, maar het is bistabiel:voor een gegeven invoer, de uitvoer heeft twee mogelijke waarden, " zegt hij. "Vanwege inherente ruis in het systeem, de output van de sensor flipt willekeurig tussen die twee waarden. Wanneer de resonantiefrequentie van de holte verandert (bijvoorbeeld omdat een deeltje de holte binnenkomt), verandert dit omslagpatroon ook."

Het analyseren van de statistieken van het flipping-patroon onthult de verandering in de resonantiefrequentie. Aangezien ruis de flipping-snelheid tussen de twee waarden verhoogt, en een grotere flipping rate betekent dat er minder tijd nodig is om voldoende statistieken te verzamelen, dit betekent dat ruis de sensor sneller maakt. Rodriguez:"In conventionele sensoren verhoogt de toegenomen ruis de tijd die nodig is om iets te detecteren dat de holte binnendringt, maar in deze sensor is de detectie sneller als er meer ruis is. Dat is echt opmerkelijk."

Optimale gevoeligheid voor kwantumruis

uiteindelijk, kwantumruis kan nooit volledig worden vermeden, dus het is nuttig om sensoren te realiseren die ruis omarmen in plaats van vermijden. Rodriguez ontdekte dat de gevoeligheid van deze ruisomarmende sensor ook afhangt van ruis. "Net als de detectiesnelheid, de gevoeligheid neemt toe met ruis, maar niet continu. Het blijkt dat deze sensor optimaal kan presteren in het regime van kwantumruis, " zegt hij. "Dit maakt het een interessant alternatief in regimes waar conventionele sensoren niet erg goed kunnen presteren."

Rodriguez berekende de theoretische detectiesnelheidslimiet van het voorgestelde niet-lineaire detectieschema en vergeleek deze met de theoretische detectiesnelheidslimiet van een lineaire sensor. Omdat het niet-lineaire schema bijna net zo goed presteert als een lineaire methode, hij heeft hoge verwachtingen. Hij is van plan het systeem theoretisch verder te onderzoeken en uiteindelijk een fysieke sensor te ontwikkelen die ruis omarmt. "Vergelijkbare methoden zijn al in gebruik voor elektrische systemen, maar tot op heden is ruis nooit gebruikt als hulpmiddel bij optische waarneming, "zegt hij. "Door te laten zien hoe de onvermijdelijke kwantumruis kan worden omarmd voor detectie, deze resultaten kunnen de grenzen verleggen van wat detecteerbaar is door ultramoderne optische sensoren."