Istraživači koji razvijaju sledeću generaciju računarske tehnologije imaju za cilj da donesu malo svetla ovoj oblasti — bukvalno. Očekuje se da će optičko računarstvo, koje se oslanja na čestice svetlosti zvane fotoni, obezbediti alternative tradicionalnim elektronskim pristupima. Takvi sistemi — ili komponente hibridnih sistema zasnovane na svetlosti koje takođe zadržavaju elektronske delove — mogu biti brži, troše manje energije i efikasnije izračunavaju vizuelne informacije kroz istovremenu, paralelnu obradu.
Do danas, optičko računarstvo se suočilo sa ograničenjem u postizanju nelinearnih odgovora, što znači da proizvodi signale koji nisu direktno proporcionalni ulazu. Nelinearnost omogućava univerzalne računarske aplikacije, uključujući veštačku inteligenciju.
Nelinearnim materijalima i uređajima u razvoju je potrebna značajna količina svetlosti za rad. Ranije je to zahtevalo lasere velike snage koji rade samo u uskom opsegu elektromagnetnog spektra; apsorbuju svetlost tokom vremena, čineći obradu sporom; ili korišćenjem energetski neefikasnih materijala koji upijaju mnogo svetlosti, ali isključuju aplikacije koje zahtevaju svetlosnu efikasnost ili transparentnost.
Sada, nedavna kolaborativna studija članova Kalifornijskog instituta za nanosisteme na UCLA, ili CNSI, predstavila je uređaj koji prevazilazi ove prepreke.
U velikom koraku ka optičkom računarstvu za obradu vizuelnih informacija, CNSI istraživači su pokazali da mali niz providnih piksela može da proizvede brz, širokopojasni, nelinearan odgovor od ambijentalnog svetla male snage. Tim je takođe demonstrirao aplikaciju koja kombinuje njihov uređaj sa kamerom pametnog telefona kako bi smanjila odsjaj na slikama. Studija je objavljena u časopisu Nature Communications.
„Optičke nelinearnosti su daleko iza onoga što nam je potrebno za vizuelne računarske aplikacije“, rekao je ko-korespondentni autor Aidogan Ozcan, Volgenau profesor inženjerskih inovacija na UCLA Samueli School of Engineering. „Potrebne su nam nelinearnosti male snage, širokopojasnog pristupa, sa malim gubicima i brze nelinearnosti za optičke sisteme da bi zadovoljili naše potrebe vizuelnog računarstva. Ovaj rad pomaže da se popuni taj jaz.“
Potencijalne primene za ovu tehnologiju – osim smanjenja odsjaja potvrđenog u studiji – ukrštaju se u različite potrošačke i industrijske namene: poboljšano sensing za autonomna vozila; kamere koje prepoznaju određene objekte dok druge skrivaju; enkripcija slike; i efikasno, efektivno otkrivanje kvarova u robotskim montažnim linijama, između mnogih drugih.
Uređaj može ponuditi mnoge prednosti. Na primer, dolazne slike mogu da se obrađuju bez konverzije u digitalni signal, ubrzavajući rezultate i smanjujući količinu podataka koji se šalju u oblak radi digitalne obrade i skladištenja. Istraživači predviđaju povezivanje svoje tehnologije sa jeftinim kamerama i kompresijom podataka kako bi se proizvele slike sa znatno višom rezolucijom nego što je ranije realizovano, i preciznije i tačnije hvatanje korisnih informacija o rasporedu objekata u prostoru i elektromagnetnim spektrima prisutnim u svetlosti.
„Jeftin uređaj od nekoliko centimetara mogao bi da učini da kamera male snage radi kao kamera super rezolucije“, rekao je Ozcan, profesor elektrotehnike i računarstva i bioinženjeringa sa UCLA, kao i pomoćnik direktora na CNSI. „To bi demokratizovalo pristup slikama i sensingu visoke rezolucije.“
Uređaj u studiji je providna ravan veličine 1 cm kvadrata. Koristi 2D poluprovodnički materijal – prikazan kao film debljine samo nekoliko atoma – koji je razvio ko-korespondent Ksiangfeng Duan, profesor hemije i biohemije na UCLA koledžu.
Tankoća materijala čini ga transparentnim, dok zadržava kvalitete koji omogućavaju dolaznim fotonima da efikasno regulišu električnu provodljivost. Istraživački tim je spojio 2D poluprovodnik sa slojem tečnog kristala i učinio ga funkcionalnim nizom elektroda. Rezultat je pametni filter koji se sastoji od 10.000 piksela, od kojih svaki može selektivno i brzo zatamniti na nelinearan način kada je izložen širokopojasnom ambijentalnom svetlu.
„U suštini, želimo da koristimo materijal koji ne apsorbuje mnogo svetlosti, ali i dalje proizvodi dovoljan signal koji se može koristiti za obradu svetlosti“, rekao je Duan. „Svaki piksel može da se promeni od potpuno transparentnog do delimično providnog do neprozirnog. Potreban je samo mali broj fotona da bi se transparentnost dramatično promenila.“
„Ova jedinstvena prilika dovela je do veoma, veoma uzbudljive saradnje“, rekao je Duan. „Zaista je sjajno razmišljati izvan naših zona udobnosti. Pokazalo mi je da, kao programer materijala, mogu imati koristi od prevazilaženja fundamentalne studije ili dokaza koncepta da bih istražio aplikacije.
„Nadamo se da ćemo nastaviti ovim putem“, dodao je on. „Ovo je samo početak. Sigurno ima još mnogo toga da se uradi.“
