I konventionella avkänningsmetoder, buller är alltid ett problem, speciellt i system som är tänkta att upptäcka förändringar i sin miljö som knappast är större eller ens mindre än bruset i systemet. Stöter på detta problem i sina experiment med interagerande fotoner, AMOLF-fysikern Said Rodriguez tänkte på en väg runt det. I en artikel som kommer att publiceras i Fysisk granskning tillämpas , han visar hur brus kan omvandlas till en resurs för optisk avkänning snarare än ett problem.

"Att använda brus för att förbättra avkänningsmetoderna är kontraintuitivt, " säger Said Rodriguez. "Föreställ dig att försöka se de största bokstäverna i ett syntest och misslyckas. Sedan, föreställ dig hur en plötslig jordbävning hjälper dig att se även de minsta bokstäverna i testet. Att skaka luftmolekyler mellan skärmen och dina ögon hjälper dig att läsa de små bokstäverna. Detta liknar det som händer i den optiska sensorn som jag föreslår."

Små förändringar i miljön

Liksom många forskare inom optikområdet, Rodriguez arbetar med resonanssystem som kan upptäcka små förändringar i sin miljö. En typisk optisk sensor är baserad på en kavitet, ett tomt utrymme med laserljus som resonerar mellan två speglar. Resonansfrekvensen beror på vad som händer i och runt kaviteten. "Till exempel, en gas som strömmar genom kaviteten ändrar resonansfrekvensen, men det gör också en förändring i temperatur eller tryck, " Rodriguez förklarar. "En typisk detektor mäter denna förändring i resonansfrekvensen som en förändring i ljusintensiteten som kommer ut ur kaviteten. Dock, intensitetsfluktuationer, dvs. ljud, stör alltid mätningen. Det vanligaste sättet att minska den skadliga effekten av brus är att medelvärde signalen över en lång tidsperiod. Detta begränsar detekteringshastigheten, medan det i de allra flesta applikationer finns ett stort värde i att känna av så snabbt som möjligt. Dessutom, detekteringshastigheten begränsas alltid av brus; även om allt klassiskt (t.ex. termiskt) brus dämpas, kvantbrus kvarstår."

Omfamna brus för snabbare avkänning

Medan de flesta optiska sensorer är linjära – ljuset som kommer ut är en linjär funktion av det som kom in – föreslår Rodriguez ett optiskt avkänningsschema baserat på olinjäritet, vilket innebär att fotoner effektivt kan interagera med varandra inuti sensorn. "Inuti den optiska kaviteten, vi lägger till ett material som påverkar det resonerande ljuset på ett icke-linjärt sätt. Ljuset som kommer ut är inte en linjär funktion av det som gick in, men det är bistabilt:för en given ingång, utgången har två möjliga värden, " säger han. "På grund av inneboende brus i systemet, utsignalen från sensorn växlar slumpmässigt mellan dessa två värden. När resonansfrekvensen för kaviteten ändras (t.ex. för att en partikel kommer in i kaviteten) ändras även detta vändningsmönster."

Att analysera statistiken för vändmönstret avslöjar förändringen i resonansfrekvensen. Eftersom brus ökar växlingshastigheten mellan de två värdena, och en högre flikhastighet innebär att det behövs mindre tid för att skaffa tillräcklig statistik, det betyder att brus gör sensorn snabbare. Rodriguez:"I konventionella sensorer ökar ökat brus den tid som behövs för att detektera något som kommer in i kaviteten, men i denna sensor går detekteringen snabbare när det är mer brus. Det är verkligen anmärkningsvärt."

Optimal känslighet för kvantbrus

I sista hand, kvantbrus kan aldrig helt undvikas, så att inse sensorer som omfamnar snarare än att undvika brus är användbart. Rodriguez fann att känsligheten hos denna brusomslutande sensor också beror på brus. "Precis som detekteringshastigheten, känsligheten ökar med brus, men inte kontinuerligt. Det visar sig att denna sensor kan fungera optimalt i regimen av kvantbrus, ", säger han. "Detta gör det till ett intressant alternativ i regimer där konventionella sensorer inte kan prestera särskilt bra."

Rodriguez beräknade den teoretiska detekteringshastighetsgränsen för det föreslagna icke-linjära avkänningsschemat och jämförde den med den teoretiska detekteringshastighetsgränsen för en linjär sensor. Eftersom det icke-linjära schemat fungerar nästan lika bra som en linjär metod, han har höga förväntningar. Han planerar att teoretiskt undersöka systemet ytterligare och så småningom utveckla en fysisk sensor som omfattar brus. "Liknande metoder används redan för elektriska system, men hittills har brus aldrig använts som en resurs i optisk avkänning, " säger han. "Genom att visa hur det oundvikliga kvantbruset kan omfamnas för avkänning, dessa resultat kan tänja på gränserna för vad som kan upptäckas av toppmoderna optiska sensorer."