次世代コンピューティングを開発する研究者 テクノロジー 文字通り、この分野に光をもたらすことを目指しています。フォトンと呼ばれる光の粒子に依存する光コンピューティングは、従来の電子的アプローチに代わる手段を提供すると期待されています。このようなシステム、または電子部品も保持するハイブリッド システムの光ベースのコンポーネントは、同時並行処理により高速化、消費エネルギーの削減、視覚情報の計算効率の向上が期待できます。
これまで、光コンピューティングは非線形応答を達成する際に限界に直面していました。これは、入力に正比例しない信号を生成することを意味します。非線形性により、人工知能を含むユニバーサル コンピューティング アプリケーションが可能になります。
開発中の非線形材料とデバイスは、動作するために大量の光を必要とします。以前は、これには電磁スペクトルの狭い帯域でのみ動作する高出力レーザーが必要でした。時間の経過とともに光が吸収され、処理が遅くなります。あるいは、多くの光を取り込むものの、光効率や透明性を必要とする用途を妨げる、エネルギー効率の悪い材料を使用することもあります。
さて、UCLA のカリフォルニア ナノシステム研究所 (CNSI) のメンバーによる最近の共同研究では、これらのハードルを克服するデバイスが導入されました。
視覚情報を処理するための光学コンピューティングに向けた大きな一歩として、CNSI の研究者らは、透明なピクセルの小さなアレイが、低出力の周囲光から高速で広帯域の非線形応答を生成できることを示しました。チームはまた、デバイスとスマートフォンのカメラを組み合わせて画像のまぶしさを軽減するアプリケーションをデモンストレーションしました。この研究は、 ネイチャー·コミュニケーションズ.
「光学的非線形性は、ビジュアル コンピューティング アプリケーションに必要とされるものよりもはるかに遅れています」と、共著者であり、UCLA サムエリ工学部ヴォルゲナウ工学イノベーション教授のアイドガン オズカン氏は述べています。 「ビジュアル コンピューティングのニーズを満たすために、光学システムには低電力、広帯域、低損失、高速の非線形性が必要です。この取り組みはそのギャップを埋めるのに役立ちます。」
この技術の潜在的な用途は、研究で検証されたグレア低減を超えて、さまざまな消費者および産業用途にまたがります。特定の物体を認識しながら他の物体を隠すカメラ。画像の暗号化。ロボット組立ラインなどの欠陥を効率的かつ効果的に検出します。
このデバイスは多くの利点を提供する可能性があります。たとえば、受信した画像をデジタル信号に変換せずに処理できるため、結果が高速化され、デジタル処理と保存のためにクラウドに送信されるデータ量が削減されます。研究者らは、自社の技術を安価なカメラとリンクさせ、データを圧縮して、以前に実現されていたよりもはるかに高い解像度の画像を生成し、空間内の物体の配置や光の中に存在する電磁スペクトルに関する有用な情報をより正確かつ正確に捕捉することを構想している。
「数センチメートルの安価な装置を使えば、低出力のカメラを超解像度カメラのように動作させることができるでしょう」と、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の電気工学およびコンピュータ工学および生物工学の教授であり、CNSI の副理事でもあるオズカン氏は述べた。 「そうすれば、高解像度のイメージングとセンシングへのアクセスが民主化されるでしょう。」
研究内の装置は、1cm四方の透明な平面です。これは、共著者であり、UCLA 大学の化学と生化学の教授である Xiangfeng Duan によって開発された、わずか数原子の厚さの膜としてレンダリングされた 2D 半導体材料を使用しています。
材料の薄さにより透明になりますが、入射光子が効率的に導電率を調節できる性質を保持しています。研究チームは、2D半導体を液晶層と結合させ、電極アレイで機能できるようにした。その結果、10,000 個のピクセルで構成されるスマート フィルターが誕生し、広帯域の周囲光にさらされると、それぞれのピクセルが非線形的に選択的かつ迅速に暗くなります。
「基本的に、私たちは光をあまり吸収せず、それでも光の処理に使用できる十分な信号を生成する材料を使用したいと考えています」と Duan 氏は言います。 「各ピクセルは完全に透明、部分的に透明、そして不透明に変化します。透明度を劇的に変えるには、ほんの少数のフォトンしか必要としません。」
「このユニークな機会は、非常にエキサイティングなコラボレーションにつながりました」とドゥアン氏は述べました。 「私たちの快適ゾーンの外で考えるのは本当に楽しいことです。このことから、材料開発者として、基礎的な研究や概念実証を超えてアプリケーションを探索することで利益が得られることがわかりました。
「私たちはこの道を続けていきたいと思っています」と彼は付け加えた。 "これは始まりにすぎない。確かにやるべきことはたくさんあります。」
他の共著者は、博士課程の学生である Dong Xu、Yuhang Li、Jingxuan Zhou、Yucheng Zhang、Boxuan Zhou、Peiqi Wang、Ao Zhang で、全員が UCLA に所属しています。博士研究員のYi Luo、Jingtian Hu、Xurong Li、Huaying Ren。 Bijie Bai 氏は 2023 年に博士号を取得しました。モナ・ジャラヒ、ノースロップ・グラマン電気工学教授。ユー・ファン教授、材料科学工学部教授。