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复杂矢量光通过一些复杂介质并以某种方式改变的艺术图片。图案展现了光的极化状态。插图中显示的复杂介质包括活体组织、水下、光纤和大气传输。图片来源：南非金山大学。
由南非约翰尼斯堡金山大学的研究人员领导的一个团队通过与比勒陀利亚大学（南非）、墨西哥以及苏格兰的研究人员合作，对光是如何在复杂介质（容易使光线严重扭曲的介质）传播的有了新的发现。他们证明了“扭曲”是一个视角问题，概述了一个适用于所有光和大量介质的简单规则，包括在水下、光纤、大气中的传输，甚至是通过活的生物样本。他们针对这一问题的新量子方法解决了关于某些形式的光是否稳定的争论，纠正了领域内的一些误解。重要的是，这项工作概述了所有光都具有保持不变的属性，这种认知是解开其余感知失真的关键。为了验证这一发现，该团队通过噪声信道进行无错误通信展示了在其他高度失真的系统中传输的稳定性。
《Nature Photonics》杂志在线发表了由南非金山大学物理学院Andrew Forbes教授领导的团队的研究成果。在他们的研究论文中，该团队解释了控制复杂介质中复杂光传播的简单规则。首先，他们发现所有复杂介质都可以用相同的方式处理，并且在分析时不依赖于所使用光的类型，在之前的处理过程中，每种介质和光束的选择都被视为一种特殊情况，现在不再如此，新的一般性理论涵盖了所有情况。其次，他们的研究表明尽管存在扭曲，但光的一个属性——“矢量性”保持不变，不受介质的影响。这一直是正确的，以前没有被注意到，即使在非理想条件下，它也是利用光的关键。
如果你让光通过不均匀的介质，比如大气，光就会被扭曲。例如，炎热道路附近闪烁的海市蜃楼效应或者闪烁的星星都是由于光在大气湍流中扭曲的例子。光线有时也会被故意扭曲，就像游乐场的镜子可以让你看起来更高、更瘦或更圆。在这种情况下，我们都明白扭曲只是一个视角问题，在没有镜子的情况下快速看一眼自己就会发现真实状态，但在其他扭曲系统中也是如此吗？有没有一种方法可以让光的扭曲消失？南非金山大学领导的团队表明是存在这种方法的，有些属性永远不会被扭曲，而另一些则可以通过改变视角恢复到原始状态。
问题是如何理解光发生了什么，它是如何被扭曲的，以及如何找到新的视角？为了回答这些问题，该团队使用了最普遍的光形式，即矢量光。光有一个电场，它的方向可以在整个电场中变化，有时向上、向下、向左、向右等。光的“矢量”是光的电场方向的混合程度。换句话说，它是衡量光在不同位置电场方向的相似程度：如果它在所有地方都相同（均匀），则值为 0，如果它在所有地方不同（不均匀），则值是 1。即使电场本身的模式发生变化，这种矢量均匀性也不会改变。原因在于量子纠缠态，这个话题似乎与光学扭曲没有什么共同之处。这项新发现是通过应用从量子世界到光学扭曲世界的方法而得以实现的。
南非金山大学物理学院的 Andrew Forbes 教授说：“我们发现矢量是光的单一属性，在通过任何复杂介质时都不会改变，这意味着我们有一些特殊的东西可以在使用光进行通信或传感时被利用。”
Forbes说：“这是光模式的一个特殊方面——极化模式是怎样的，“极化”只是描述构成光的电场方向的一种特殊方式。模式也被扭曲了，但它的内在性质（均匀或非均匀）没有变化。”该团队的方法允许研究人员确定如何以一种不消耗任何光线的方式纠正通过介质传播的扭曲，换句话说，就是没有任何失真。Forbes说：“我们研究表明即使光线发生扭曲，但扭曲只是视角问题。人们可以通过这种方式观察光线，使其恢复原始的‘未扭曲’特性。值得注意的是，复杂介质中的复杂光可以从非常简单的规则中得到普遍认识，这是很了不起的。”
例如，通过改变测量的方式，任何通过严重失真的介质进行的通信都可以做到“无失真”。该团队通过一系列系统（从湍流到液体或光纤）实验证明了这一观点。
消息来源：https://phys.org/news/2022-06-distorting-medium-undistorted.html
