Pesquisadores desenvolvendo a próxima geração de computação tecnologia pretendo trazer alguma luz ao campo - literalmente. Espera-se que a computação óptica, que depende de partículas de luz chamadas fótons, forneça alternativas às abordagens eletrônicas tradicionais. Tais sistemas – ou componentes baseados em luz de sistemas híbridos que também retêm peças electrónicas – poderiam ser mais rápidos, consumir menos energia e computar informação visual de forma mais eficiente através de processamento simultâneo e paralelo.
Até o momento, a computação óptica tem enfrentado uma limitação na obtenção de respostas não lineares, o que significa produzir sinais não diretamente proporcionais à entrada. A não linearidade torna possíveis aplicações de computação universais, incluindo inteligência artificial.
Materiais e dispositivos não lineares em desenvolvimento precisam de uma quantidade substancial de luz para funcionar. Anteriormente, isso exigia lasers de alta potência que operassem apenas em uma faixa estreita do espectro eletromagnético; absorvendo luz ao longo do tempo, tornando o processamento lento; ou usar materiais energeticamente ineficientes que absorvem muita luz, mas impedem aplicações que exigem eficiência luminosa ou transparência.
Agora, um recente estudo colaborativo de membros do California NanoSystems Institute da UCLA, ou CNSI, introduziu um dispositivo que supera esses obstáculos.
Num grande passo em direção à computação óptica para processamento de informação visual, os investigadores do CNSI mostraram que um pequeno conjunto de pixels transparentes poderia produzir uma resposta rápida, de banda larga e não linear a partir de luz ambiente de baixa potência. A equipe também demonstrou um aplicativo que combina seu dispositivo com a câmera de um smartphone para reduzir o brilho nas imagens. O estudo foi publicado em Natureza das Comunicações.
“As não linearidades ópticas estão muito aquém do que precisamos para aplicações de computação visual”, disse o co-autor Aydogan Ozcan, professor de inovação em engenharia de Volgenau na Escola de Engenharia Samueli da UCLA. “Precisamos de não linearidades rápidas, de baixo consumo de energia, banda larga, baixas perdas e para que os sistemas ópticos atendam às nossas necessidades de computação visual. Este trabalho ajuda a preencher essa lacuna.”
As aplicações potenciais para a tecnologia – além da redução do brilho validada no estudo – abrangem uma variedade de usos industriais e de consumo: detecção aprimorada para veículos autônomos; câmeras que reconhecem certos objetos enquanto escondem outros; criptografia de imagem; e detecção eficiente e eficaz de defeitos em linhas de montagem robóticas, entre muitos outros.
O dispositivo pode oferecer muitas vantagens. Por exemplo, as imagens recebidas poderiam ser processadas sem conversão para um sinal digital, acelerando os resultados e reduzindo a quantidade de dados enviados para a nuvem para processamento e armazenamento digital. Os investigadores pretendem ligar a sua tecnologia a câmaras baratas e comprimir dados para produzir imagens com uma resolução muito mais elevada do que a anteriormente conseguida, e capturar com mais precisão e exatidão informações úteis sobre a disposição dos objetos no espaço e os espectros eletromagnéticos presentes na luz.
“Um dispositivo barato medindo alguns centímetros poderia fazer uma câmera de baixa potência funcionar como uma câmera de super resolução”, disse Ozcan, professor de engenharia elétrica e de computação e de bioengenharia da UCLA, bem como diretor associado do CNSI. “Isso democratizaria o acesso a imagens e sensores de alta resolução.”
O dispositivo em estudo é um plano transparente medindo 1 cm quadrado. Ele usa um material semicondutor 2D – renderizado como um filme com apenas alguns átomos de espessura – que foi desenvolvido pelo co-autor Xiangfeng Duan, professor de química e bioquímica no UCLA College.
A espessura do material torna-o transparente, ao mesmo tempo que mantém qualidades que permitem aos fotões que chegam regular eficientemente a condutividade eléctrica. A equipe de pesquisa acoplou o semicondutor 2D a uma camada de cristal líquido e o tornou funcional com uma série de eletrodos. O resultado é um filtro inteligente composto por 10,000 pixels, cada um capaz de escurecer seletiva e rapidamente de forma não linear quando exposto à luz ambiente de banda larga.
“Basicamente, queremos usar um material que não absorva muita luz, mas que ainda produza sinal suficiente que possa ser usado para processar a luz”, disse Duan. “Cada pixel pode mudar de completamente transparente para parcialmente transparente e até opaco. Basta um pequeno número de fótons para alterar drasticamente a transparência.”
“Esta oportunidade única levou a uma colaboração muito, muito emocionante”, disse Duan. “É realmente incrível pensar fora de nossas zonas de conforto. Isso me mostrou que, como desenvolvedor de materiais, posso me beneficiar indo além de um estudo fundamental ou prova de conceito para explorar aplicações.
“Esperamos continuar nesse caminho”, acrescentou. "Isto é apenas o começo. Certamente há muito mais a fazer.”
Outros coautores, todos afiliados à UCLA, são os estudantes de doutorado Dong Xu, Yuhang Li, Jingxuan Zhou, Yucheng Zhang, Boxuan Zhou, Peiqi Wang e Ao Zhang; os pesquisadores de pós-doutorado Yi Luo, Jingtian Hu, Xurong Li e Huaying Ren; Bijie Bai, que obteve o título de doutor em 2023; Mona Jarrahi, professora de engenharia elétrica da Northrop Grumman; e Yu Huang, professor e catedrático de ciência e engenharia de materiais.