Новая теория описывает, как волны переносят информацию из окружающей среды

Важные новости

Новая теория описывает, как волны несут информацию из окружающей среды

Тефлоновые объекты (оранжевые цилиндры) помещались в волновод прямоугольного сечения. Затем справа был подан электромагнитный сигнал (синий волновой фронт), чтобы извлечь информацию о металлическом кубоиде, показанном серым. Измерив волновое поле в области, обозначенной красным, исследователи смогли показать, как информация генерируется и передается с помощью электромагнитного сигнала. Например, поток информации о горизонтальном положении кубоида показан на вставке справа внизу (синие стрелки). Видно, что информация генерируется на правой стороне кубоида, а затем переносится вправо к отверстию волновода. Автор: Физика природы (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02519-8

Волны собирают информацию из окружающей среды, через которую они распространяются. Теория информации, переносимой волнами, сейчас разработана в Венском техническом университете и дает потрясающие результаты, которые можно использовать для технических приложений.

Ультразвук используется для анализа тела, радиолокационные системы для изучения воздушного пространства или сейсмические волны для изучения недр нашей планеты. Многие области исследований имеют дело с волнами, которые отклоняются, рассеиваются или отражаются окружающей средой. В результате эти волны несут в себе определенное количество информации об окружающей среде, и эта информация должна быть извлечена как можно более полно и точно.

Поиск лучшего способа сделать это был предметом исследований по всему миру на протяжении многих лет. Теперь TU Wien удалось с математической точностью описать информацию, которую несет волна об окружающей среде. Это позволило показать, как волны собирают информацию об объекте, а затем передают ее в измерительное устройство.

Теперь это можно использовать для генерации настраиваемых волн для извлечения максимального количества информации из окружающей среды&mdash ;например, для более точных процессов визуализации. Эта теория была подтверждена микроволновыми экспериментами. Результаты были опубликованы в журнале Nature Physics..

Где именно находится информация?

«Основная идея довольно проста: вы посылаете волну на объект, а та часть волны, которая рассеивается обратно от объекта, измеряется детектором», — говорит профессор Стефан Роттер из Института теоретической физики Венского технического университета.

«Затем эти данные можно использовать, чтобы узнать что-то об объекте — например, его точное положение, скорость или размер». Эта информация об окружающей среде, которую несет эта волна, известна как «информация Фишера».

Однако часто невозможно охватить всю волну. Обычно до детектора доходит только часть волны. Возникает вопрос: где именно эта информация на самом деле находится в волне? Есть ли части волны, которые можно безопасно игнорировать? Возможно, другая форма сигнала предоставит детектору больше информации?

«Чтобы докопаться до сути этих вопросов, мы более подробно изучили математические свойства этой информации Фишера и пришли к некоторым поразительным результатам», — говорит Роттер.

«Информация удовлетворяет так называемому уравнению непрерывности — информация в волне сохраняется по мере ее движения в пространстве в соответствии с законами, которые очень похожи, например, на законы сохранения энергии».

Понятный путь информации

Используя недавно разработанный формализм, исследовательская группа теперь смогла точно рассчитать, в какой точке пространства волна действительно несет сколько информации об объекте. Оказывается, информация о разных свойствах объекта (таких как положение, скорость и размер) может быть скрыта в совершенно разных частях волны.

Как показывают теоретические расчеты, информативность волна зависит именно от того, насколько сильно на волну влияют те или иные свойства исследуемого объекта.

«Например, если мы хотим измерить, находится ли объект чуть левее или чуть правее, то информацию Фишера несет именно та часть волны, которая соприкасается с правым и левым краями. объекта», — говорит Якоб Хюпфл, докторант, сыгравший ключевую роль в исследовании.

«Эта информация затем распространяется, и чем больше этой информации достигает детектора, тем точнее по нему можно прочитать положение объекта.»

Микроволновые эксперименты подтверждают теорию

В группе Ульриха Куля в Университете Лазурного берега в Ницце Феликс Руссо проводил эксперименты в рамках своей магистерской диссертации: в микроволновой камере создавалась неупорядоченная среда с использованием случайно расположенных тефлоновых предметов. Между этими объектами помещался металлический прямоугольник, положение которого нужно было определить.

Микроволны были отправлены через систему и затем подхвачены детектором. Теперь вопрос был: насколько хорошо положение металлического прямоугольника может быть выведено из волн, пойманных детектором в такой сложной физической ситуации, и как информация течет от прямоугольника к детектору?

Точно измеряя микроволновое поле, можно было показать, как именно распространяется информация о горизонтальном и вертикальном положении прямоугольника: она исходит от соответствующих краев прямоугольника, а затем перемещается вместе с волной—без какой-либо потери информации, как и предсказывает недавно разработанная теория.

Возможные применения во многих областях

«Это новое математическое описание информации Фишера потенциально может улучшить качество различных методов визуализации», — говорит Роттер. Если можно количественно определить, где находится искомая информация и как она распространяется, то также становится возможным, например, более правильно расположить детектор или рассчитать индивидуальные волны, которые передают к детектору максимальное количество информации.

«Мы проверили нашу теорию с помощью микроволн, но она одинаково справедлива для широкого спектра волн с разными длинами волн», — подчеркивает Роттер. «Мы предоставляем простые формулы, которые можно использовать для улучшения методов микроскопии, а также квантовых датчиков».

Дополнительная информация: Якоб Хюпфл и др., Уравнение непрерывности о потоке информации Фишера при рассеянии волн, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02519-8

Информация журнала: Физика природы

Предоставлено Венским технологическим университетом

Новости сегодня

Последние новости