Optisch logische operaties hebben de afgelopen tien jaar grote belangstelling gewekt, omdat ze veel toepassingen mogelijk maken, met name die met een hoge doorvoer en on-the-fly gegevensverwerking, zoals beveiligde draadloze communicatie en autonoom rijden. Echter, de gerapporteerde optische logische poorten zijn sterk afhankelijk van de nauwkeurige regeling van ingangslicht/pomplicht, inclusief de fase, polarisatie, en amplitude. Vanwege de complexiteit en moeilijkheid van deze nauwkeurige controles, de twee uitgangstoestanden kunnen last hebben van een inherente instabiliteit en een lage contrastverhouding van intensiteit. Bovendien, de miniaturisering van optische logische poorten wordt moeilijk als de extra omvangrijke apparatuur voor deze controles wordt overwogen. Als zodanig, het is gewenst, zij het uitdagend, om van deze gecompliceerde besturing af te komen en volledige logische functionaliteit te bereiken in een compact fotonisch systeem.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , wetenschappers van het Interdisciplinair Centrum voor Quantum Informatie, Zhejiang-universiteit, China, en collega's introduceerden een eenvoudige maar universele ontwerpstrategie, namelijk diffractieve neurale netwerken, om alle zeven optische logische basisbewerkingen binnen hetzelfde compacte systeem te realiseren, gewoon met behulp van een vlakke golf als ingangssignaal. Het diffractieve neurale netwerk wordt geïmplementeerd door een samengesteld Huygens' meta-oppervlak, en het kan de functionaliteit van een kunstmatig neuraal netwerk gedeeltelijk nabootsen. Na het trainen, het samengestelde meta-oppervlak kan het ingangsgecodeerde licht directioneel verstrooien of concentreren in een van de twee aangewezen kleine gebieden/punten, waarvan een logische toestand '1' en de andere '0' vertegenwoordigt. Als conceptuele demonstratie, drie fundamentele logische poorten, d.w.z., NIET, OF, en en, zijn experimenteel geverifieerd met behulp van een tweelaags hoogrenderend diëlektrisch meta-oppervlak bij microgolfgolflengte.

In vergelijking met eerdere werken, deze ontwerpstrategie heeft twee duidelijke voordelen. Eerst, de realisatie van optische logische bewerkingen hier maakt de gecompliceerde en nauwkeurige besturing van de kenmerken van ingangslicht overbodig; een dergelijk schema is dus totaal verschillend van eerdere werken. Bovendien, het ontwerp van de invoerlaag is zeer algemeen en krachtig, en het kan flexibel worden gewijzigd in andere gebruikersvriendelijke en programmeerbare vormen. Tweede, de voorgestelde strategie kan volledige logische functionaliteiten mogelijk maken in een enkel optisch netwerk, als de transmissiestatus van de invoerlaag eenvoudig afstembaar is, bijv. elektrisch afstembaar als het optische masker is geconstrueerd door een ruimtelijke lichtmodulator. Daarom, de onthulde universele ontwerpstrategie heeft het potentieel om een ​​enkele geminiaturiseerde programmeerbare fotonische processor te vergemakkelijken voor willekeurige logische bewerkingen.

De wetenschappers zijn van mening dat de volledig uitgeruste optische logische poorten een grote stap mogelijk maken voor verdere geminiaturiseerde, hoge rekendichtheid en ultrasnelle rekenelementen, beloofd door nanofotonische circuits en metastructuren. Verder dan dat, de voorgestelde aanpak zal ook leiden tot een breed toepassingsgebied, zoals realtime objectherkenning in bewakingssystemen, en intelligente golfvorming in biologische weefsels in microscoopbeeldvorming.