Forscher entwickeln die nächste Computergeneration Technologie Ziel ist es, etwas Licht auf das Feld zu bringen – im wahrsten Sinne des Wortes. Optische Berechnungen, die auf Lichtteilchen, sogenannten Photonen, basieren, sollen Alternativen zu herkömmlichen elektronischen Ansätzen bieten. Solche Systeme – oder lichtbasierte Komponenten von Hybridsystemen, die auch elektronische Teile enthalten – könnten durch gleichzeitige, parallele Verarbeitung schneller sein, weniger Energie verbrauchen und visuelle Informationen effizienter berechnen.
Bisher war die optische Datenverarbeitung mit Einschränkungen bei der Erzielung nichtlinearer Reaktionen konfrontiert, was bedeutet, dass Signale erzeugt werden mussten, die nicht direkt proportional zur Eingabe waren. Nichtlinearität ermöglicht universelle Computeranwendungen, einschließlich künstlicher Intelligenz.
Nichtlineare Materialien und Geräte, die sich in der Entwicklung befinden, benötigen zum Funktionieren eine beträchtliche Menge Licht. Bisher waren dafür Hochleistungslaser erforderlich, die nur in einem schmalen Band des elektromagnetischen Spektrums arbeiten; absorbiert mit der Zeit Licht und verlangsamt die Verarbeitung; oder die Verwendung energieineffizienter Materialien, die viel Licht aufnehmen, aber Anwendungen ausschließen, die Lichteffizienz oder Transparenz erfordern.
Nun hat eine aktuelle Gemeinschaftsstudie von Mitgliedern des California NanoSystems Institute an der UCLA (CNSI) ein Gerät vorgestellt, das diese Hürden überwindet.
In einem wichtigen Schritt in Richtung optischer Datenverarbeitung zur Verarbeitung visueller Informationen zeigten die CNSI-Forscher, dass eine winzige Anordnung transparenter Pixel eine schnelle, breitbandige, nichtlineare Reaktion auf Umgebungslicht mit geringer Leistung erzeugen kann. Das Team demonstrierte außerdem eine Anwendung, die ihr Gerät mit einer Smartphone-Kamera kombiniert, um Blendung in Bildern zu reduzieren. Die Studie wurde veröffentlicht in Nature Communications veröffentlicht .
„Optische Nichtlinearitäten liegen weit hinter dem zurück, was wir für visuelle Computeranwendungen benötigen“, sagte Mitautor Aydogan Ozcan, Volgenau-Professor für technische Innovation an der UCLA Samueli School of Engineering. „Wir benötigen stromsparende, breitbandige, verlustarme und schnelle Nichtlinearitäten für optische Systeme, um unsere visuellen Computeranforderungen zu erfüllen. Diese Arbeit trägt dazu bei, diese Lücke zu schließen.“
Mögliche Anwendungen für die Technologie – über die in der Studie validierte Blendungsreduzierung hinaus – umfassen eine Vielzahl von Verbraucher- und Industrieanwendungen: verbesserte Sensorik für autonome Fahrzeuge; Kameras, die bestimmte Objekte erkennen und andere verbergen; Bildverschlüsselung; und unter anderem eine effiziente und effektive Erkennung von Fehlern in Robotermontagelinien.
Das Gerät könnte viele Vorteile bieten. Beispielsweise könnten die eingehenden Bilder ohne Umwandlung in ein digitales Signal verarbeitet werden, was die Ergebnisse beschleunigt und die Datenmenge reduziert, die zur digitalen Verarbeitung und Speicherung an die Cloud gesendet wird. Die Forscher stellen sich vor, ihre Technologie mit billigen Kameras zu verknüpfen und Daten zu komprimieren, um Bilder mit weitaus höherer Auflösung als bisher zu erzeugen und nützliche Informationen über die Anordnung von Objekten im Raum und die im Licht vorhandenen elektromagnetischen Spektren präziser und genauer zu erfassen.
„Ein kostengünstiges Gerät mit einer Größe von ein paar Zentimetern könnte dafür sorgen, dass eine Kamera mit geringem Stromverbrauch wie eine hochauflösende Kamera funktioniert“, sagte Ozcan, Professor für Elektro- und Computertechnik sowie Bioingenieurwesen an der UCLA und stellvertretender Direktor am CNSI. „Das würde den Zugang zu hochauflösender Bildgebung und Sensorik demokratisieren.“
Das Gerät in der Studie ist eine transparente Ebene mit einer Fläche von 1 cm im Quadrat. Es verwendet ein 2D-Halbleitermaterial – in Form eines nur wenige Atome dicken Films –, das vom Mitautor Xiangfeng Duan, einem Professor für Chemie und Biochemie am UCLA College, entwickelt wurde.
Die Dünnheit des Materials macht es transparent, behält aber Eigenschaften bei, die es einfallenden Photonen ermöglichen, die elektrische Leitfähigkeit effizient zu regulieren. Das Forschungsteam koppelte den 2D-Halbleiter mit einer Flüssigkristallschicht und machte ihn mit einer Reihe von Elektroden funktionsfähig. Das Ergebnis ist ein intelligenter Filter mit 10,000 Pixeln, die bei Einwirkung von breitbandigem Umgebungslicht selektiv und schnell auf nichtlineare Weise abdunkeln können.
„Grundsätzlich wollen wir ein Material verwenden, das nicht viel Licht absorbiert, aber dennoch ausreichend Signal erzeugt, das zur Verarbeitung des Lichts verwendet werden kann“, sagte Duan. „Jedes Pixel kann von vollständig transparent über teilweise transparent bis hin zu undurchsichtig wechseln. Es braucht nur eine kleine Anzahl von Photonen, um die Transparenz dramatisch zu verändern.“
„Diese einzigartige Gelegenheit führte zu einer sehr, sehr spannenden Zusammenarbeit“, sagte Duan. „Es macht wirklich Spaß, außerhalb unserer Komfortzone zu denken. Es hat mir gezeigt, dass ich als Materialentwickler davon profitieren kann, über eine grundlegende Studie oder einen Machbarkeitsnachweis hinauszugehen und Anwendungen zu erkunden.
„Wir hoffen, diesen Weg weitergehen zu können“, fügte er hinzu. „Das ist erst der Anfang. Es gibt sicherlich noch viel zu tun.“
Weitere Co-Autoren, die alle mit der UCLA verbunden sind, sind die Doktoranden Dong Xu, Yuhang Li, Jingxuan Zhou, Yucheng Zhang, Boxuan Zhou, Peiqi Wang und Ao Zhang; Postdoktoranden Yi Luo, Jingtian Hu, Xurong Li und Huaying Ren; Bijie Bai, der 2023 seinen Doktortitel erlangte; Mona Jarrahi, Northrop Grumman-Professorin für Elektrotechnik; und Yu Huang, Professor und Lehrstuhlinhaber für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik.