Een van de eerste lessen die elke bètastudent op de basisschool leert, is dat wit licht helemaal niet wit is, maar eerder een samenstelling van vele fotonen, die kleine druppeltjes energie waaruit licht bestaat, van elke kleur van de regenboog - rood, Oranje, geel, groente, blauw, indigo, paars.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Stanford University hebben een optisch apparaat ontwikkeld waarmee ingenieurs de frequenties van elk afzonderlijk foton in een lichtstroom kunnen wijzigen en afstemmen op vrijwel elke gewenste mix van kleuren. Het resultaat, gepubliceerd 23 april in Natuurcommunicatie , is een nieuwe fotonische architectuur die velden kan transformeren, variërend van digitale communicatie en kunstmatige intelligentie tot geavanceerde kwantumcomputing.

"Deze krachtige nieuwe tool geeft de ingenieur een zekere mate van controle die voorheen niet mogelijk was, " zei Shanhui Fan, een professor in elektrotechniek aan Stanford en senior auteur van het artikel.

Het klaverbladeffect

De structuur bestaat uit een verliesarme draad voor licht die een stroom fotonen draagt ​​die zoals zoveel auto's op een drukke doorgang voorbijgaat. De fotonen gaan dan een reeks ringen binnen, zoals de afritten in een klaverblad op de snelweg. Elke ring heeft een modulator die de frequentie van de passerende fotonen transformeert - frequenties die onze ogen als kleur zien. Er kunnen zoveel ringen zijn als nodig is, en ingenieurs kunnen de modulatoren nauwkeurig regelen om de gewenste frequentietransformatie in te stellen.

Een van de toepassingen die de onderzoekers voor ogen hebben, zijn optische neurale netwerken voor kunstmatige intelligentie die neurale berekeningen uitvoeren met licht in plaats van elektronen. Bestaande methoden die optische neurale netwerken tot stand brengen, veranderen de frequenties van de fotonen niet echt, maar gewoon omleiden van fotonen van een enkele frequentie. Het uitvoeren van dergelijke neurale berekeningen door middel van frequentiemanipulatie zou kunnen leiden tot veel compactere apparaten, zeggen de onderzoekers.

"Ons apparaat wijkt aanzienlijk af van bestaande methoden met een kleine footprint en biedt toch een enorme nieuwe technische flexibiliteit, " zei Avik Dutt, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Fan en tweede auteur van het artikel.

Het licht zien

De kleur van een foton wordt bepaald door de frequentie waarmee het foton resoneert, die, beurtelings, is een factor van zijn golflengte. Een rood foton heeft een relatief lage frequentie en een golflengte van ongeveer 650 nanometer. Aan de andere kant van het spectrum, blauw licht heeft een veel snellere frequentie met een golflengte van ongeveer 450 nanometer.

Een eenvoudige transformatie kan het verschuiven van een foton van een frequentie van 500 nanometer naar, zeggen, 510 nanometer - of, zoals het menselijk oog het zou registreren, een verandering van cyaan naar groen. De kracht van de architectuur van het Stanford-team is dat het deze eenvoudige transformaties kan uitvoeren, maar ook veel geavanceerdere met fijne controle.

Om het verder uit te leggen, Fan biedt een voorbeeld van een inkomende lichtstroom bestaande uit 20 procent fotonen in het bereik van 500 nanometer en 80 procent bij 510 nanometer. Met dit nieuwe apparaat, een ingenieur zou die verhouding kunnen verfijnen tot 73 procent bij 500 nanometer en 27 procent bij 510 nanometer, indien gewenst, dit alles met behoud van het totale aantal fotonen. Of de verhouding zou 37 en 63 procent kunnen zijn, wat dat betreft. Deze mogelijkheid om de verhouding in te stellen, maakt dit apparaat nieuw en veelbelovend. Bovendien, in de kwantumwereld, een enkel foton kan meerdere kleuren hebben. In die omstandigheid, het nieuwe apparaat maakt het eigenlijk mogelijk om de verhouding van verschillende kleuren voor een enkel foton te veranderen.

"We zeggen dat dit apparaat 'willekeurige' transformatie mogelijk maakt, maar dat betekent niet 'willekeurige, '" zei Siddharth Buddhiraju, die tijdens het onderzoek een afgestudeerde student was in het lab van Fan en de eerste auteur van het artikel is en nu werkt bij Facebook Reality Labs. "In plaats daarvan, we bedoelen dat we elke lineaire transformatie kunnen realiseren die de ingenieur nodig heeft. Er is hier een grote mate van technische controle."

"Het is heel veelzijdig. De ingenieur kan de frequenties en verhoudingen zeer nauwkeurig regelen en er is een grote verscheidenheid aan transformaties mogelijk, " Fan toegevoegd. "Het legt nieuwe kracht in de handen van de ingenieur. Hoe ze het zullen gebruiken, is aan hen."