นักวิจัยกำลังพัฒนาคอมพิวเตอร์รุ่นต่อไป เทคโนโลยี ตั้งเป้าที่จะนำแสงสว่างมาสู่สนามจริง ๆ การประมวลผลด้วยแสงซึ่งอาศัยอนุภาคของแสงที่เรียกว่าโฟตอน คาดว่าจะเป็นทางเลือกแทนแนวทางอิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิม ระบบดังกล่าวหรือส่วนประกอบที่ใช้แสงของระบบไฮบริดซึ่งยังคงเก็บชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ไว้ อาจเร็วขึ้น ใช้พลังงานน้อยลง และประมวลผลข้อมูลภาพได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นผ่านการประมวลผลแบบขนานพร้อมกัน
จนถึงปัจจุบัน คอมพิวเตอร์แบบออปติคอลเผชิญกับข้อจำกัดในการบรรลุการตอบสนองแบบไม่เชิงเส้น ซึ่งหมายความว่าการผลิตสัญญาณไม่เป็นสัดส่วนโดยตรงกับอินพุต ความไม่เชิงเส้นทำให้แอปพลิเคชันการประมวลผลสากล รวมถึงปัญญาประดิษฐ์เป็นไปได้
วัสดุและอุปกรณ์ไม่เชิงเส้นที่อยู่ระหว่างการพัฒนาจำเป็นต้องใช้แสงจำนวนมากในการทำงาน ก่อนหน้านี้ ต้องใช้เลเซอร์กำลังสูงที่ทำงานเฉพาะในแถบความถี่แคบของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าเท่านั้น ดูดซับแสงเมื่อเวลาผ่านไป ทำให้การประมวลผลช้า หรือใช้วัสดุที่ไม่ประหยัดพลังงานซึ่งใช้แสงมากแต่ขัดขวางการใช้งานที่ต้องการประสิทธิภาพแสงหรือความโปร่งใส
ขณะนี้การศึกษาร่วมกันเมื่อเร็ว ๆ นี้จากสมาชิกของ California NanoSystems Institute ที่ UCLA หรือ CNSI ได้แนะนำอุปกรณ์ที่สามารถเอาชนะอุปสรรคเหล่านี้ได้
ในขั้นตอนสำคัญสู่การประมวลผลแบบออปติคัลสำหรับการประมวลผลข้อมูลภาพ นักวิจัยของ CNSI แสดงให้เห็นว่าอาร์เรย์พิกเซลโปร่งใสขนาดเล็กสามารถสร้างการตอบสนองที่รวดเร็ว บรอดแบนด์ และไม่เชิงเส้นจากแสงโดยรอบที่ใช้พลังงานต่ำ ทีมงานยังได้สาธิตแอปพลิเคชันที่รวมอุปกรณ์เข้ากับกล้องสมาร์ทโฟนเพื่อลดแสงสะท้อนในภาพ การศึกษาถูกตีพิมพ์ใน การสื่อสารธรรมชาติ.
“ความไม่เชิงเส้นเชิงแสงยังอยู่เบื้องหลังสิ่งที่เราต้องการสำหรับการประยุกต์ใช้การประมวลผลด้วยภาพ” Aydogan Ozcan ผู้เขียนร่วม ศาสตราจารย์ Volgenau สาขานวัตกรรมวิศวกรรมใน UCLA Samueli School of Engineering กล่าว “เราต้องการพลังงานต่ำ บรอดแบนด์ การสูญเสียต่ำ และไม่เชิงเส้นที่รวดเร็วสำหรับระบบออปติคัลเพื่อตอบสนองความต้องการด้านการประมวลผลภาพของเรา งานนี้ช่วยเติมเต็มช่องว่างนั้น”
การใช้งานที่เป็นไปได้สำหรับเทคโนโลยี นอกเหนือจากการลดแสงสะท้อนที่ได้รับการตรวจสอบแล้วในการศึกษานี้ ยังครอบคลุมการใช้งานของผู้บริโภคและอุตสาหกรรมที่หลากหลาย: การตรวจจับที่ได้รับการปรับปรุงสำหรับยานพาหนะที่ขับเคลื่อนอัตโนมัติ; กล้องที่จดจำวัตถุบางอย่างในขณะที่ซ่อนวัตถุอื่น การเข้ารหัสภาพ และการตรวจจับข้อบกพร่องในสายการประกอบหุ่นยนต์ที่มีประสิทธิภาพและประสิทธิผล และอื่นๆ อีกมากมาย
อุปกรณ์นี้สามารถให้ข้อดีหลายประการ ตัวอย่างเช่น รูปภาพที่เข้ามาสามารถประมวลผลได้โดยไม่ต้องแปลงเป็นสัญญาณดิจิทัล ช่วยให้ผลลัพธ์เร็วขึ้น และลดปริมาณข้อมูลที่ถูกส่งไปยังคลาวด์เพื่อการประมวลผลและจัดเก็บข้อมูลดิจิทัล นักวิจัยจินตนาการถึงการเชื่อมโยงเทคโนโลยีของพวกเขากับกล้องราคาถูกและการบีบอัดข้อมูลเพื่อสร้างภาพที่มีความละเอียดสูงกว่าที่เคยเป็นมาก่อน และจับภาพข้อมูลที่เป็นประโยชน์เกี่ยวกับการจัดเรียงวัตถุในอวกาศและสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีอยู่ในแสงได้อย่างแม่นยำและแม่นยำยิ่งขึ้น
“อุปกรณ์ราคาไม่แพงที่มีขนาดเพียง 2-3 เซนติเมตรสามารถทำให้กล้องที่ใช้พลังงานต่ำทำงานได้เหมือนกับกล้องที่มีความละเอียดสูง” ออซแคน ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ และวิศวกรรมชีวภาพของ UCLA รวมถึงรองผู้อำนวยการของ CNSI กล่าว “นั่นจะทำให้การเข้าถึงภาพและการตรวจจับที่มีความละเอียดสูงเป็นประชาธิปไตย”
อุปกรณ์ในการศึกษานี้เป็นระนาบโปร่งใสขนาด 1 ซม. สี่เหลี่ยมจัตุรัส ใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ 2 มิติ ซึ่งสร้างเป็นฟิล์มที่มีความหนาเพียงไม่กี่อะตอม ซึ่งได้รับการพัฒนาโดย Xiangfeng Duan ผู้เขียนร่วม ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ด้านเคมีและชีวเคมีในวิทยาลัย UCLA
ความบางของวัสดุทำให้มีความโปร่งใส ในขณะที่ยังคงคุณสมบัติที่ช่วยให้โฟตอนที่เข้ามาสามารถควบคุมการนำไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทีมวิจัยได้รวมเซมิคอนดักเตอร์ 2 มิติเข้ากับชั้นคริสตัลเหลว และทำให้มันทำงานได้โดยใช้อิเล็กโทรดหลายชุด ผลลัพธ์ที่ได้คือฟิลเตอร์อัจฉริยะที่ประกอบด้วย 10,000 พิกเซล โดยแต่ละพิกเซลสามารถเลือกปรับลดแสงลงในลักษณะที่ไม่เป็นเชิงเส้นได้อย่างรวดเร็วเมื่อสัมผัสกับแสงโดยรอบแบบบรอดแบนด์
“โดยพื้นฐานแล้ว เราต้องการใช้วัสดุที่ไม่ดูดซับแสงมากนัก แต่ยังคงสร้างสัญญาณเพียงพอที่สามารถนำมาใช้ในการประมวลผลแสงได้” เดือนกล่าว “แต่ละพิกเซลสามารถเปลี่ยนจากโปร่งใสทั้งหมดเป็นโปร่งใสบางส่วนเป็นทึบแสงได้ โฟตอนจำนวนเล็กน้อยเท่านั้นที่จะเปลี่ยนความโปร่งใสได้อย่างมาก”
“โอกาสพิเศษนี้นำไปสู่ความร่วมมือที่น่าตื่นเต้นมาก” Duan กล่าว “การคิดนอกกรอบความสะดวกสบายของเราเป็นเรื่องสุดยอดจริงๆ มันแสดงให้ฉันเห็นว่าในฐานะนักพัฒนาวัสดุ ฉันสามารถได้รับประโยชน์จากการก้าวไปไกลกว่าการศึกษาขั้นพื้นฐานหรือการพิสูจน์แนวคิดเพื่อสำรวจแอปพลิเคชัน
“เราหวังว่าจะดำเนินต่อไปตามถนนสายนี้” เขากล่าวเสริม "นี่เป็นเพียงการเริ่มต้น. มีอะไรให้ทำอีกมากมายอย่างแน่นอน”
ผู้เขียนร่วมคนอื่น ๆ ทั้งหมดในเครือ UCLA เป็นนักศึกษาระดับปริญญาเอก Dong Xu, Yuhang Li, Jingxuan Zhou, Yucheng Zhang, Boxuan Zhou, Peiqi Wang และ Ao Zhang; นักวิจัยหลังปริญญาเอก Yi Luo, Jingtian Hu, Xurong Li และ Huaying Ren; ปี้เจี๋ย ไป๋ ผู้ได้รับปริญญาเอกในปี 2023; Mona Jarrahi ศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมไฟฟ้าของ Northrop Grumman; และ Yu Huang ศาสตราจารย์และประธานสาขาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์