אור הולך ושב

האם אפשר לפענח מבנה של עצם באמצעות “חישוב לאחור” של נתוני הקרינה המתפזרת לאחר שפגעה בו?

כדי לבחון ולמפות את המבנה של גופים קטנים (למשל נגיף או אברון תוך-תאי וגם דימוי דו-ממדי), משגרים המדענים לעבר העצם הנחקר אלומה של קרינה אלקטרו-מגנטית. הקרינה פוגעת בגוף הנחקר, ומתפזרת ממנו, בדרך שמושפעת ממבנהו. המדענים מודדים את נתוני הפיזור של הקרינה, ואילו היו בידיהם כלים מתמטיים חזקים מספיק, הם היו יכולים “לחשב לאחור” את נתוני הקרינה המתפזרת, ולקבל, כתוצאה, את המבנה המדויק של הגוף הנחקר.

אלא שלרוע המזל, חישוב כזה, “לאחור”, הוא מה שהמתמטיקאים מכנים “בעיה קשה”. כלומר, אין לנו דרך יעילה לבצע את החישוב הזה על בסיס הנתונים הנמדדים בלבד. למעשה, את עוצמת הקרינה אפשר לחשב. הקושי נובע מחוסר יכולתנו “לחשב לאחור” (לשחזר) את הפאזה או המופע של האור. עובדה זו העניקה לבעיה את שמה: “בעיית שחזור הפאזה”.

מדעני מכון ויצמן למדע, שביקשו להתמודד עם הבעיה הזאת, הצליחו באחרונה לבנות מערכת אופטית שמצליחה לחשב את נתוני פיזור האור במהירות רבה מאוד, לשחזר את פאזת הקרינה – ולפתור את מבנה העצם הנחקר. המדענים, פרופ’ ניר דודזון והחוקר הבתר-דוקטוריאלי ד”ר חן טרדונסקי, יחד עם פרופ’ (אמריטוס) אשר פריזם, החוקר הבכיר ד”ר אורן רז, תלמיד המחקר איגור גרשנזון, תלמיד המחקר לשעבר, ד”ר רונן שריקי, והחוקר הבתר-דוקטוריאלי (לשעבר) ד”ר וישווה פאל, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות, בנו מהוד לייזר (מערכת שבה קרן הלייזר “עוברת ושבה” בין שתי מראות), שאחת מהמראות שלו “מתוכנתת” כך שהיא “יודעת” את עוצמת הקרינה המתפזרת בלבד. במרכז המהוד (ב”צומת” שבו עוברת אלומת הלייזר הלוך-ושוב בין שתי המראות), הם התקינו “רמז צורני”, מעין חלון במבנה משוער של העצם הנחקר. רמז צורני כזה אפשר להפיק, למשל, באמצעות מיקרוסקופ רגיל, שיכול לספק מעין “צללית” של העצם הנחקר, אבל לא את מבנהו המדויק.

אלומת הלייזר העוברת בין שתי המראות, עוברת מעין אבולוציה: בתחילה קיימות אלפי צורות שעשויות להתאים למבנה העצם הנחקר, אבל בכל מעבר של הלייזר, פוחת משמעותית מספר הפתרונות הלא מתאימים, ועולה ו’משתלט’ הפתרון הנכון”

אלומת הלייזר, העוברת בין שתי המראות, וחולפת שוב ושוב דרך “הרמז הצורני”, עוברת מעין אבולוציה: בתחילה קיימות אלפי צורות שעשויות להתאים לרמז הצורני ולמבנה של העצם הנחקר, אבל בכל מעבר של הלייזר במהוד, פוחת משמעותית מספר הפתרונות הלא מתאימים, ועולה ו”משתלט” הפתרון הנכון. דרך זו של ברירה אופטית מהירה בערך פי מיליון מתהליך ממוחשב רגיל שנדרש לחישוב ולמציאת הפתרון של אותה בעיה.

עיקרון הברירה האופטית במהוד לייזר משמש את מדעני המכון לפתרון יעיל ומהיר של בעיות חישוביות נוספות, כגון דימות דרך חומר מפזר (כגון רקמה ביולוגית), עיצוב אלומות אור וסימולציות של חומרים מגנטיים מורכבים. חברת “ידע”, המקדמת יישומים על בסיס המצאותיהם של מדעני המכון, כבר רשמה פטנט על המערכת, ובקרוב תוקם חברת הזנק שתפתח יישומים תעשייתיים לפתרון בעיות חישוביות קשות באמצעות לייזרים.

חישוב אופטי של שחזור הפאזה של אור מפוזר מהיר פי 1,000,000 מחישוב רגיל.

למאמר המדעי