Med ny optisk enhed, ingeniører kan finjustere lysets farve

Blandt de første lektioner, enhver naturskoleelev på en grundskole lærer, er, at hvidt lys slet ikke er hvidt, men snarere en sammensætning af mange fotoner, de små dråber energi, der udgør lys, fra alle regnbuens farver - rød, orange, gul, grøn, blå, indigo, violet.

Nu, forskere ved Stanford University har udviklet en optisk enhed, der giver ingeniører mulighed for at ændre og finjustere frekvenserne for hver enkelt foton i en lysstrøm til stort set enhver blanding af farver, de ønsker. Resultatet, udgivet 23. april i Naturkommunikation , er en ny fotonisk arkitektur, der kan transformere felter lige fra digital kommunikation og kunstig intelligens til banebrydende kvanteberegning.

"Dette kraftfulde nye værktøj lægger en grad af kontrol i ingeniørens hænder, der ikke tidligere var muligt, "sagde Shanhui Fan, en professor i elektroteknik ved Stanford og seniorforfatter af papiret.

Kløverbladseffekten

Strukturen består af en ledning med lav tab til lys, der bærer en strøm af fotoner, der passerer som så mange biler på en travl vej. Fotonerne kommer derefter ind i en række ringe, som off-ramperne i et motorvejskløverblad. Hver ring har en modulator, der transformerer frekvensen af ​​de forbipasserende fotoner - frekvenser, som vores øjne ser som farve. Der kan være så mange ringe som nødvendigt, og ingeniører kan fint styre modulatorerne for at ringe til den ønskede frekvensomdannelse.

Blandt de applikationer, forskerne forestiller sig, omfatter optiske neurale netværk til kunstig intelligens, der udfører neurale beregninger ved hjælp af lys i stedet for elektroner. Eksisterende metoder, der opnår optiske neurale netværk, ændrer faktisk ikke fotonernes frekvenser, men ganske enkelt omdirigere fotoner af en enkelt frekvens. Udførelse af sådanne neurale beregninger gennem frekvensmanipulation kan føre til meget mere kompakte enheder, siger forskerne.

"Vores enhed er en væsentlig afvigelse fra eksisterende metoder med et lille fodaftryk og alligevel tilbyder en enorm ny teknisk fleksibilitet, "sagde Avik Dutt, en postdoktor i Fans laboratorium og anden forfatter af papiret.

At se lyset

Farven på en foton bestemmes af den frekvens, ved hvilken foton resonerer, hvilken, på tur, er en faktor for dens bølgelængde. En rød foton har en relativt langsom frekvens og en bølgelængde på omkring 650 nanometer. I den anden ende af spektret, blåt lys har en meget hurtigere frekvens med en bølgelængde på omkring 450 nanometer.

En simpel transformation kan indebære at flytte en foton fra en frekvens på 500 nanometer til, sige, 510 nanometer - eller som det menneskelige øje ville registrere det, en ændring fra cyan til grøn. Kraften i Stanford -teamets arkitektur er, at det kan udføre disse enkle transformationer, men også meget mere sofistikerede med fin kontrol.

For yderligere at forklare, Fan giver et eksempel på en indkommende lysstrøm bestående af 20 procent fotoner i 500-nanometerområdet og 80 procent ved 510 nanometer. Ved hjælp af denne nye enhed, en ingeniør kunne finjustere dette forhold til 73 procent ved 500 nanometer og 27 procent ved 510 nanometer, hvis det ønskes, alt samtidig med at det samlede antal fotoner bevares. Eller forholdet kunne 37 og 63 procent, for den sags skyld. Denne evne til at indstille forholdet er det, der gør denne enhed ny og lovende. I øvrigt, i kvanteverdenen, en enkelt foton kan have flere farver. Under den omstændighed, den nye enhed tillader faktisk ændring af forholdet mellem forskellige farver for en enkelt foton.

"Vi siger, at denne enhed tillader 'vilkårlig' transformation, men det betyder ikke 'tilfældigt, sagde Siddharth Buddhiraju, som var kandidatstuderende i Fan's lab under forskningen og førsteforfatter til papiret, og som nu arbejder på Facebook Reality Labs. "I stedet, vi mener, at vi kan opnå enhver lineær transformation, som ingeniøren kræver. Der er en stor mængde teknisk kontrol her. "

"Det er meget alsidigt. Ingeniøren kan styre frekvenser og proportioner meget præcist, og en lang række transformationer er mulige, "Fan tilføjet." Det lægger ny kraft i ingeniørens hænder. Hvordan de vil bruge det, er op til dem. "