Explotación de medios de dispersión no lineal para cifrado óptico, computación y aprendizaje automático

Jan 15, 2024

1 de agosto de 2023

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por Instituto de Ciencias Básicas

¿Se puede ver a través de un medio dispersor como el vidrio esmerilado? Convencionalmente, tal hazaña se consideraría imposible. A medida que la luz viaja a través de un medio opaco, la información contenida en la luz se "confunde", casi como si se sometiera a un cifrado complejo. Recientemente, el equipo del profesor Choi Wonshik del Centro IBS de Espectroscopía y Dinámica Molecular (IBS CMSD) ha descubierto una forma de utilizar este fenómeno en la computación óptica y el aprendizaje automático.

Desde 2010, varios estudios previos han intentado aprovechar la información perdida debido a la dispersión de medios, como los tejidos biológicos, utilizando las matemáticas. Por lo general, esto se ha hecho empleando operadores ópticos como matrices de dispersión lineal, que pueden usarse para determinar las relaciones de entrada-salida de los fotones a medida que se dispersan.

Este tema ha sido de principal interés de investigación para el equipo del profesor Choi del IBS CMSD, y han publicado muchos trabajos que combinan óptica adaptativa basada en hardware y software para imágenes de tejidos. Parte de su trabajo se demostró en nuevos tipos de microscopios que pueden ver a través de medios de dispersión con alta opacidad, como cráneos de ratón, además de realizar imágenes tridimensionales profundas de tejidos.

Sin embargo, las cosas se vuelven mucho más complejas cuando la no linealidad entra en la ecuación. Si un medio de dispersión genera señales no lineales, ya no se puede representar simplemente mediante una matriz lineal, ya que se viola el principio de superposición. Además, medir las características no lineales de entrada y salida se convierte en un desafío enorme, lo que crea un escenario exigente para la investigación.

Esta vez, el equipo del profesor Choi ha logrado otro avance científico. Fueron los primeros en descubrir que la respuesta óptica de entrada-salida de un medio de dispersión no lineal puede definirse mediante un tensor de tercer orden, a diferencia de una matriz lineal. Los hallazgos se publican en la revista Nature Physics.

El tensor de tercer orden es un objeto matemático que se utiliza para representar relaciones entre tres conjuntos de datos. En términos simples, es una serie de números dispuestos en una estructura tridimensional. Los tensores son generalizaciones de escalares (tensores de orden 0), vectores (tensores de primer orden) y matrices (tensores de segundo orden) y se utilizan comúnmente en diversos campos de las matemáticas, la física y la ingeniería para describir cantidades físicas y sus relaciones.

Para demostrar esto, el equipo utilizó un medio compuesto por nanopartículas de titanato de bario, que generan señales no lineales de generación de segundo armónico (SHG) debido a las propiedades no centrosimétricas inherentes del titanato de bario. Estas señales SHG emergen como un cuadrado del campo eléctrico de entrada a través del proceso del segundo armónico, lo que provoca términos cruzados cuando se activan múltiples canales de entrada simultáneamente, lo que altera el principio de superposición lineal. Los investigadores idearon y validaron experimentalmente un marco teórico novedoso que involucra estos términos cruzados en un tensor de tercer orden.

Para ilustrar esto, los investigadores midieron los términos cruzados aislando la diferencia entre los campos eléctricos de salida producidos cuando dos canales de entrada se activaron simultáneamente y cuando cada canal se activó por separado. Esto requirió 1.176 mediciones adicionales establecidas mediante las posibles combinaciones de dos canales de entrada independientes, incluso con solo 49 canales de entrada.

"El esfuerzo requerido para detectar términos cruzados a partir de señales no lineales débiles fue significativo", señaló el Dr. Moon Jungho, autor principal del estudio.

El tensor derivado del medio de dispersión no lineal tiene un rango más alto que las matrices de medios de dispersión lineal, lo que sugiere su potencial como operador físico escalable. El equipo demostró esto mediante la implementación en el mundo real de cifrado óptico no lineal y puertas lógicas totalmente ópticas.

En primer lugar, el equipo demostró con éxito que se pueden utilizar medios de dispersión no lineal para el proceso de cifrado óptico. Cuando se ingresa información de imagen específica en los medios, las señales de onda del segundo armónico de salida se muestran como patrones aleatorios, similares a una serie de procesos de cifrado. Por el contrario, al realizar una operación inversa de la representación tensorial de tercer orden de la onda del segundo armónico, la información de entrada original se puede recuperar mediante un proceso de descifrado.

Utilizando la operación inversa de la respuesta de entrada-salida del tensor, decodificaron señales originales a partir de señales SHG codificadas aleatoriamente, lo que ofrece mayor seguridad que el cifrado óptico estándar que utiliza medios de dispersión lineal.

Además, la integración de la conjugación de fase digital permitió a los investigadores mostrar puertas lógicas Y totalmente ópticas que se activan solo cuando dos canales de entrada específicos se activan simultáneamente. Este enfoque ofrece ventajas potenciales sobre la lógica basada en silicio, incluido un menor consumo de energía y capacidades de procesamiento paralelo a la velocidad de la luz.

Se espera que esta investigación abra nuevas fronteras en el ámbito de la computación óptica y el aprendizaje automático. "En el floreciente campo del aprendizaje automático totalmente óptico, las capas ópticas no lineales son clave para mejorar el rendimiento del modelo. Actualmente estamos investigando cómo nuestra investigación podría integrarse en este campo", afirmó el profesor Choi.

Más información: Jungho Moon et al, Medición del tensor de dispersión de un medio no lineal desordenado, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02163-8

Información de la revista:Física de la naturaleza

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