Каждый шаблон мог бы формировать алфавит кодирования для оптической связи или мог бы использоваться в производстве для повышения производительности. К сожалению, световые паттерны искажаются, когда они проходят через зашумленные каналы, например, напряженное оптическое волокно, аберрированная оптика, мутная живая ткань и, возможно, очень серьезный пример - атмосферная турбулентность в воздухе.

Во всех этих примерах искаженный шаблон может ухудшиться до такой степени, что выходной шаблон будет совсем не похож на входной, сводя на нет преимущества. Теперь исследователи из Университета Витватерсранда (Wits University) в Южной Африке показали, как можно найти формы света без искажений, которые выходят из зашумленного канала точно такими же, какими они были введены.

Используя атмосферную турбулентность в качестве примера, они показали, что эти особые формы света, называемые собственными модами, могут быть обнаружены даже для очень сложных каналов, появляясь неискаженными, в то время как другие формы структурированного света были бы неузнаваемы. Их исследование было опубликовано в журнале, Продвинутая фотоника -- флагманский журнал SPIE, международного общества оптики и фотоники.

"Прохождение света через атмосферу имеет решающее значение во многих приложениях, таких как оптика свободного пространства, зондирование и доставка энергии, но найти наилучший способ сделать это оказалось непросто", - говорит профессор Эндрю Форбс, руководитель лаборатории структурированного света в Университете Витса.

Традиционно метод проб и ошибок использовался для поиска наиболее устойчивых форм света к какому-либо конкретному каналу с шумом, но на сегодняшний день все формы знакомого структурированного света, как оказалось, искажаются по мере того, как среда становится все более шумной. Причина в том, что мы "видим" искажение.

Чтобы установить, возможно ли создать свет, который не "видит" искажения, проходя сквозь него так, как будто его там не было, исследователи рассматривали зашумленный канал как математический оператор и задавали простой вопрос: "Какие формы света были бы инвариантны к этому оператору?." Другими словами, какие формы света проявляются как естественный режим канала, в котором он находится, чтобы он не видел искажений. Это также можно назвать истинными собственными модами канала.

Рассмотренный пример был серьезным случаем искажений из-за атмосферной турбулентности. Решение проблемы выявило неузнаваемые формы света - другими словами, свет, которого нет ни в одном хорошо известном семействе структурированных источников света, но, тем не менее, он полностью устойчив к среде. Этот факт был подтвержден экспериментально и теоретически для условий слабой и сильной турбулентности.

"Что интересно в этой работе, так это то, что она открывает новый подход к изучению сложного света в сложных системах, например, при транспортировке классического и квантового света по оптическому волокну, подводным каналам, живой ткани и другим системам с высокой аберрацией", - говорит Форбс.

Из-за природы собственных мод не имеет значения, какой длины эта среда и насколько сильно возмущение, так что она должна хорошо работать даже в режимах, где традиционные корректирующие процедуры, такие как адаптивная оптика, терпят неудачу.

"Поддержание целостности структурированного света в сложных средах проложит путь к будущей работе в области визуализации и коммуникации по зашумленным каналам, что особенно актуально, когда структурированные формы света представляют собой хрупкие квантовые состояния".