Yeni nesil bilgi işlemi geliştiren araştırmacılar teknoloji Kelimenin tam anlamıyla sahaya biraz ışık getirmeyi amaçlıyoruz. Foton adı verilen ışık parçacıklarına dayanan optik hesaplamanın, geleneksel elektronik yaklaşımlara alternatif sağlaması bekleniyor. Bu tür sistemler (veya hibrit sistemlerin elektronik parçaları da içeren ışık tabanlı bileşenleri) daha hızlı olabilir, daha az enerji tüketebilir ve eşzamanlı, paralel işleme yoluyla görsel bilgileri daha verimli bir şekilde hesaplayabilir.
Bugüne kadar optik hesaplama, doğrusal olmayan yanıtların elde edilmesinde bir sınırlamayla karşı karşıya kaldı; bu, girişle doğrudan orantılı olmayan sinyallerin üretilmesi anlamına geliyor. Doğrusal olmama, yapay zeka da dahil olmak üzere evrensel bilgi işlem uygulamalarını mümkün kılar.
Geliştirilmekte olan doğrusal olmayan malzeme ve cihazların çalışması için önemli miktarda ışığa ihtiyaç vardır. Daha önce bu, elektromanyetik spektrumun yalnızca dar bir bandında çalışan yüksek güçlü lazerleri gerektiriyordu; zamanla ışığı emerek işlemeyi yavaşlatır; veya çok fazla ışık alan ancak ışık verimliliği veya şeffaflık gerektiren uygulamaları engelleyen, enerji açısından verimli olmayan malzemelerin kullanılması.
Şimdi, UCLA'daki California NanoSystems Enstitüsü veya CNSI üyelerinin yakın zamanda yaptığı ortak bir çalışma, bu engellerin üstesinden gelen bir cihazı tanıttı.
CNSI araştırmacıları, görsel bilgiyi işlemek için optik hesaplamaya doğru büyük bir adım atarak, küçük bir şeffaf piksel dizisinin, düşük güçlü ortam ışığından hızlı, geniş bantlı, doğrusal olmayan bir yanıt üretebileceğini gösterdi. Ekip ayrıca görüntülerdeki parlamayı azaltmak için cihazlarını bir akıllı telefon kamerasıyla birleştiren bir uygulamayı da gösterdi. Çalışma şu tarihte yayınlandı: Doğa İletişim.
UCLA Samueli Mühendislik Okulu'nda Volgenau Mühendislik Yenilikleri Profesörü, eş muhabir yazar Aydoğan Özcan, "Optik doğrusal olmama, görsel hesaplama uygulamaları için ihtiyacımız olanın çok gerisindedir" dedi. "Görsel bilgi işlem ihtiyaçlarımızı karşılamak için optik sistemlerde düşük güçlü, geniş bantlı, düşük kayıplı ve hızlı doğrusal olmayan özelliklere ihtiyacımız var. Bu çalışma bu boşluğu doldurmaya yardımcı oluyor.”
Araştırmada doğrulanan parlamayı azaltmanın ötesinde, teknolojinin potansiyel uygulamaları çeşitli tüketici ve endüstriyel kullanımları kapsamaktadır: otonom araçlar için gelişmiş algılama; belirli nesneleri tanırken diğerlerini gizleyen kameralar; görüntü şifreleme; ve diğer pek çok şeyin yanı sıra robotik montaj hatlarındaki kusurların verimli ve etkili bir şekilde tespit edilmesi.
Cihaz birçok avantaj sunabilir. Örneğin, gelen görüntüler dijital sinyale dönüştürülmeden işlenebilir, böylece sonuçlar hızlandırılabilir ve dijital işleme ve depolama için buluta gönderilen veri miktarı azaltılabilir. Araştırmacılar, teknolojilerini ucuz kameralarla birleştirmeyi ve verileri sıkıştırarak daha önce gerçekleştirilenden çok daha yüksek çözünürlüklü görüntüler üretmeyi ve nesnelerin uzaydaki düzeni ve ışıkta mevcut olan elektromanyetik spektrum hakkında yararlı bilgileri daha kesin ve doğru bir şekilde yakalamayı öngörüyor.
UCLA elektrik ve bilgisayar mühendisliği ile biyomühendislik profesörü ve aynı zamanda CNSI'de direktör yardımcısı olan Özcan, "Birkaç santimetrelik ucuz bir cihaz, düşük güçlü bir kameranın süper çözünürlüklü bir kamera gibi çalışmasını sağlayabilir" dedi. "Bu, yüksek çözünürlüklü görüntüleme ve algılamaya erişimi demokratikleştirecektir."
Çalışmadaki cihaz 1 cm kare ölçülerinde şeffaf bir düzlemdir. UCLA Koleji'nde kimya ve biyokimya profesörü olan ortak yazar Xiangfeng Duan tarafından geliştirilen, yalnızca birkaç atom kalınlığında bir film olarak oluşturulan 2 boyutlu bir yarı iletken malzeme kullanıyor.
Malzemenin inceliği onu şeffaf hale getirirken, gelen fotonların elektrik iletkenliğini verimli bir şekilde düzenlemesini sağlayan niteliklerini de koruyor. Araştırma ekibi, 2D yarı iletkeni bir sıvı kristal tabakasıyla birleştirdi ve onu bir dizi elektrotla işlevsel hale getirdi. Sonuç, her biri geniş bant ortam ışığına maruz kaldığında seçici ve hızlı bir şekilde doğrusal olmayan bir şekilde kararabilen 10,000 pikselden oluşan akıllı bir filtredir.
Duan, "Temel olarak çok fazla ışık absorbe etmeyen ancak yine de ışığı işlemek için kullanılabilecek yeterli sinyal üreten bir malzeme kullanmak istiyoruz" dedi. “Her piksel tamamen şeffaftan kısmen şeffafa ve opaklığa kadar değişebilir. Şeffaflığı önemli ölçüde değiştirmek için yalnızca az sayıda foton yeterli."
Duan, "Bu eşsiz fırsat çok ama çok heyecan verici bir işbirliğine yol açtı" dedi. “Konfor alanlarımızın dışında düşünmek gerçekten harika. Bu bana bir malzeme geliştiricisi olarak uygulamaları keşfetmek için temel bir çalışmanın veya kavram kanıtlamanın ötesine geçmenin faydasını görebileceğimi gösterdi.
"Bu yolda ilerlemeyi umuyoruz" diye ekledi. "Bu sadece başlangıç. Elbette yapılacak daha çok şey var."
Tamamı UCLA'ya bağlı olan diğer ortak yazarlar, doktora öğrencileri Dong Xu, Yuhang Li, Jingxuan Zhou, Yucheng Zhang, Boxuan Zhou, Peiqi Wang ve Ao Zhang; doktora sonrası araştırmacılar Yi Luo, Jingtian Hu, Xurong Li ve Huaying Ren; 2023 yılında doktora derecesini alan Bijie Bai; Mona Jarrahi, Northrop Grumman Elektrik Mühendisliği Profesörü; ve malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü ve başkanı Yu Huang.