Μηχανικοί του Stanford αποκωδικοποιούν το μικτό φως μέσω νέου φωτονικού επεξεργαστή

Σύνοψη

• Ερευνητές του Πανεπιστημίου Stanford και του ISTA ανέπτυξαν ένα φωτονικό τσιπ ικανό να διαχωρίζει το ασύγχρονο φως σε ανεξάρτητες, καθαρές δέσμες.
• Το μικροτσίπ αξιοποιεί ειδικούς αλγορίθμους ταξινόμησης φωτονίων, επιβεβαιώνοντας θεωρίες της φυσικής που παρέμεναν ανεπιβεβαίωτες από τη δεκαετία του 1980.
• Η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική καταργεί την αποκλειστική ανάγκη χρήσης laser για την επίτευξη υψηλής ευκρίνειας, επιτρέποντας τη χρήση κοινών πηγών φωτισμού.
• Η τεχνολογική ανακάλυψη αναμένεται να εφαρμοστεί άμεσα στην αναβάθμιση ιατρικών μικροσκοπίων, αστρονομικών τηλεσκοπίων, καμερών και συστημάτων τηλεπικοινωνίας.

Η διαχείριση του φωτός σε μικροσκοπικό επίπεδο αποτελεί μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της σύγχρονης εφαρμοσμένης φυσικής και της μηχανικής υλικών. Οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου Stanford, σε συνεργασία με συναδέλφους τους από το Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Αυστρίας (ISTA), προχώρησαν σε μια θεμελιώδη ανακάλυψη αναπτύσσοντας ένα οπτικό μικροτσίπ ικανό να διαχωρίζει τις χαοτικές, μικτές δέσμες φωτός. 

Η έρευνα επιλύει πρακτικά ζητήματα που κρατούσαν δέσμιους τους ερευνητές της οπτικής από τα τέλη του περασμένου αιώνα.Ενσωματώνοντας καινοτόμα κυκλώματα δρομολόγησης φωτονίων σε έναν επεξεργαστή που δεν ξεπερνά το μέγεθος ενός ανθρώπινου νυχιού, η επιστημονική ομάδα απέδειξε πως η απομόνωση καθαρών δεσμών από πλήρως ασύγχρονες πηγές φωτισμού είναι πλέον τεχνικά εφικτή.

Για να γίνει κατανοητή η κλίμακα της επιτυχίας, απαιτείται η κατανόηση της διαφοράς μεταξύ του σύγχρονου (coherent) και του ασύγχρονου (incoherent) φωτός. Η διδακτορική φοιτήτρια ηλεκτρολόγων μηχανικών και εκ των επικεφαλής της έρευνας, Annie Kroo, χρησιμοποιεί ένα εξαιρετικά παραστατικό παράδειγμα για να περιγράψει το φαινόμενο. Όταν το φως ενός laser κατευθύνεται μέσα από ένα πυκνό πλέγμα, αποτυπώνει στην απέναντι επιφάνεια ένα καθαρό και αιχμηρό μοτίβο. Τα φωτόνια του laser πάλλονται απολύτως συγχρονισμένα, με αποτέλεσμα τα κύματα του φωτός να ενισχύονται αρμονικά μεταξύ τους ή να αλληλοακυρώνονται με μαθηματική ακρίβεια. Αντιθέτως, όταν η ίδια δοκιμή πραγματοποιείται με το φως ενός κοινού λαμπτήρα πυρακτώσεως ή LED, το αποτέλεσμα στην επιφάνεια είναι απλώς μια θολή, διάχυτη λάμψη. Τα φωτόνια από τις απλές πηγές φωτισμού εκπέμπονται εντελώς ανεξάρτητα το ένα από το άλλο, συγκρούονται ακανόνιστα και δημιουργούν έναν οπτικό «θόρυβο» ο οποίος καθιστά αδύνατη τη μεταφορά σαφούς οπτικής πληροφορίας σε υψηλές αναλύσεις.

Οι κατασκευαστές οπτικών συστημάτων παγκοσμίως βασίζονταν παραδοσιακά στις πηγές laser προκειμένου να εξασφαλίσουν την απαραίτητη ακρίβεια για τα ιατρικά μικροσκόπια και τους σαρωτές δεδομένων. Το νέο τσιπ του Stanford διαφοροποιείται εντελώς από αυτή την παραδοσιακή προσέγγιση. Λειτουργεί υποδεχόμενο το ασύγχρονο φως, αναλαμβάνοντας έπειτα να το οργανώσει. Συνδυάζοντας τα ενσωματωμένα υλικά κατεύθυνσης των ακτίνων με έναν ισχυρό αλγόριθμο ταξινόμησης, καταφέρνει να εξάγει πολλαπλές καθαρές και εντελώς ξεχωριστές δέσμες φωτός μέσα από το αρχικό οπτικό χάος. 

Ο Charles Roques-Carmes, επίκουρος καθηγητής στο ISTA και πρώην ερευνητικός συνεργάτης στο Stanford, επισημαίνει ότι αυτή η διαδικασία εκμεταλλεύεται την αληθινή, μερικώς ασύγχρονη φύση του φωτός, αναλύοντάς το σε καθαρά στατιστικά και εντελώς ανεξάρτητα υποσύνολα. Η απομόνωση αυτών των υποσυνόλων επιτρέπει τη μεταφορά πολλαπλάσιων δεδομένων μέσα από το ίδιο φυσικό μέσο.

Πάντως, η υλοποίηση τέτοιων περίπλοκων μαθηματικών και φυσικών κανόνων μέσα σε μια συμπαγή συσκευή δεν είναι και η πιο εύκολη υπόθεση. Τα φωτονικά μικροτσίπ καθοδηγούν φωτόνια με σκοπό την επεξεργασία δεδομένων, προσπαθώντας να μιμηθούν τον τρόπο με τον οποίο οι παραδοσιακοί επεξεργαστές των υπολογιστών και των smartphones διαχειρίζονται τα ηλεκτρόνια. Παρόλο που τα τελευταία χρόνια παρατηρείται τεράστια εξέλιξη στη σμίκρυνση των οπτικών κυκλωμάτων, ο αυστηρός έλεγχος των σωματιδίων του φωτός μέσα σε τόσο περιορισμένο χώρο παραμένει εξαιρετικά περίπλοκος. 

Ο Olav Solgaard, καθηγητής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Stanford, τονίζει ότι η μεταφορά οπτικών διατάξεων επάνω σε μικροτσίπ βελτιώνει κατακόρυφα την απόδοσή τους, ακολουθώντας την ίδια ακριβώς επιτυχημένη πορεία που διέγραψαν τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα πριν από αρκετές δεκαετίες.

Οι πρακτικές εφαρμογές της νέας αρχιτεκτονικής αναμένεται να επηρεάσουν καθοριστικά πληθώρα επιστημονικών και εμπορικών τομέων τα επόμενα χρόνια. Στον τομέα της ιατρικής μικροσκοπίας, η ικανότητα απομόνωσης της οπτικής πληροφορίας επιτρέπει την παρατήρηση ζωντανών κυττάρων με ασύλληπτη καθαρότητα, αναδεικνύοντας δομές και λεπτομέρειες τις οποίες οι συμβατικοί φακοί αδυνατούν να καταγράψουν. Η αστρονομική παρατήρηση επωφελείται εξίσου, καθώς το φως που φτάνει στα τηλεσκόπια από μακρινούς γαλαξίες είναι βαθιά ασύγχρονο και αλλοιωμένο από την απόσταση. Αναλύοντας αυτό το φως μέσω του νέου φωτονικού τσιπ, οι αστρονόμοι αποκτούν πρόσβαση σε ακατέργαστα δεδομένα που μέχρι πρότινος χάνονταν μέσα στον συμπαντικό θόρυβο. Ακόμη, ο τομέας των τηλεπικοινωνιών και των οπτικών ινών αποκτά τη δυνατότητα αποστολής τεράστιου όγκου δεδομένων με ελάχιστες απώλειες, ξεμπλέκοντας τους πολύπλοκους ρυθμούς των μεταδιδόμενων φωτονίων.

Πηγή – Techgear

ΔΙΑΦΗΜΙΣΗ

BUY & SELL IN CYPRUSwww.buyme.cy