Des chercheurs ont découvert une méthode pour décoder les informations « mélangées » par la lumière traversant un milieu diffusant comme le verre dépoli, avec des applications potentielles en informatique optique et en apprentissage automatique. L’équipe a démontré que la réponse entrée-sortie optique d’un milieu de diffusion non linéaire peut être représentée par un tenseur du troisième ordre, offrant une nouvelle approche du cryptage optique et des portes logiques.
Décodage de la réponse optique des milieux diffusants non linéaires : un saut vers des opérateurs physiques hautement évolutifs.
Est-il possible de voir à travers un milieu diffusant comme le verre dépoli ? Traditionnellement, cela serait considéré comme impossible. Lorsque la lumière traverse une substance opaque, les informations transportées dans la lumière deviennent « confuses », presque comme si elles subissaient un cryptage complexe.
Récemment, une percée scientifique remarquable par l’équipe du professeur Choi Wonshik du Centre IBS pour la spectroscopie et la dynamique moléculaires (IBS CMSD) a dévoilé une méthode pour tirer parti de ce phénomène dans les domaines de l’informatique optique et apprentissage automatique.
Depuis 2010, plusieurs études antérieures ont tenté d’exploiter les informations perdues en raison des médias de diffusion, tels que les tissus biologiques, en utilisant les mathématiques. Cela a généralement été fait en utilisant des opérateurs optiques tels que des matrices de diffusion linéaire, qui peuvent être utilisées pour déterminer les relations entrée-sortie des photons lorsqu’ils subissent une diffusion.
Ce sujet a été l’un des principaux intérêts de recherche de l’équipe du professeur Choi de l’IBS CMSD, qui a publié de nombreux travaux combinant à la fois l’optique adaptative matérielle et logicielle pour l’imagerie tissulaire. Une partie de leur travail a été démontrée dans de nouveaux types de microscopes qui peuvent voir à travers un milieu diffusant avec une opacité élevée, comme les crânes de souris, ainsi que réaliser une imagerie 3D profonde des tissus.
Le milieu de diffusion non linéaire, comme indiqué en (a), présente une diffusion et une modulation non linéaire à travers des nanoparticules non linéaires, ce qui rend sa réponse impossible à caractériser à l’aide de matrices linéaires conventionnelles. Pour mesurer la réponse non linéaire, un système d’interférence de deuxième harmonique non linéaire, comme indiqué en (b), a été développé. Crédit : Institut des sciences fondamentales
Cependant, les choses deviennent beaucoup plus complexes lorsque la non-linéarité entre dans l’équation. Si un milieu diffusant génère des signaux non linéaires, il ne peut plus être représenté simplement par une matrice linéaire, car le principe de superposition est violé. De plus, la mesure des caractéristiques d’entrée-sortie non linéaires devient un défi de taille, ouvrant une étape exigeante pour la recherche.
Percer le mystère des médias diffusants non linéaires
Cette fois, l’équipe du professeur Choi a réalisé une nouvelle percée scientifique. Ils sont devenus les premiers à découvrir que la réponse optique entrée-sortie d’un milieu diffusant non linéaire peut être définie par un tenseur du troisième ordre, par opposition à une matrice linéaire.
Le tenseur du troisième ordre est un objet mathématique utilisé pour représenter les relations entre trois ensembles de données. En termes simples, il s’agit d’un tableau de nombres disposés dans une structure tridimensionnelle. Les tenseurs sont des généralisations de scalaires (tenseurs d’ordre 0), de vecteurs (tenseurs d’ordre 1) et de matrices (tenseurs d’ordre 2) et sont couramment utilisés dans divers domaines des mathématiques, de la physique et de l’ingénierie pour décrire des quantités physiques et leurs relations.
Les informations de lumière qui sont diffusées et modulées par le milieu de diffusion non linéaire changent de manière aléatoire, ce qui rend difficile la reconstruction des informations d’origine, comme le montre l’image de droite de (a). Cela peut être appelé cryptage optique. Cependant, en connaissant les caractéristiques de réponse entrée-sortie, il est possible de reconstruire les informations d’origine à partir du chatoiement de sortie aléatoire, comme indiqué en (b). Ce processus peut être considéré comme un décryptage des informations cryptées. Avec uniquement des caractéristiques de réponse linéaires qui n’impliquent pas de termes croisés, il n’a pas été possible de reconstruire correctement les informations, comme indiqué en (c). Crédit : Institut des sciences fondamentales
Pour démontrer cela, l’équipe a utilisé un milieu composé de nanoparticules de titanate de baryum, qui génèrent des signaux non linéaires de génération de deuxième harmonique (SHG) en raison des propriétés non centrosymétriques inhérentes du titanate de baryum. Ces signaux SHG émergent comme un carré du champ électrique d’entrée à travers le processus de deuxième harmonique, provoquant des termes croisés lorsque plusieurs canaux d’entrée sont activés simultanément, perturbant le principe de superposition linéaire. Les chercheurs ont conçu et validé expérimentalement un nouveau cadre théorique impliquant ces termes croisés dans un tenseur du troisième ordre.
Pour illustrer cela, les chercheurs ont mesuré les termes croisés en isolant la différence entre les champs électriques de sortie produits lorsque deux canaux d’entrée étaient activés simultanément et lorsque chaque canal était activé séparément. Cela a nécessité 1 176 mesures supplémentaires définies par les combinaisons possibles de deux canaux d’entrée indépendants, même avec seulement 49 canaux d’entrée.
« L’effort requis pour détecter les termes croisés à partir de signaux non linéaires faibles était important », a noté le Dr Moon Jungho, auteur principal de l’étude.
Applications du monde réel libérées
Le tenseur dérivé du milieu de diffusion non linéaire a un rang plus élevé que les matrices de milieux de diffusion linéaire, faisant allusion à son potentiel en tant qu’opérateur physique évolutif. L’équipe l’a démontré par la mise en œuvre dans le monde réel d’un cryptage optique non linéaire et de portes logiques entièrement optiques.
Tout d’abord, l’équipe a réussi à démontrer que les supports de diffusion non linéaires peuvent être utilisés pour le processus de cryptage optique. Lorsque des informations d’image spécifiques sont entrées dans le support, les signaux de sortie de la deuxième onde harmonique sont affichés sous forme de motifs aléatoires, semblables à une série de processus de cryptage.
(a) Un circuit logique optique non linéaire a été mis en œuvre en utilisant la méthode de conjugaison de phase numérique avec un milieu de diffusion non linéaire. En utilisant le champ conjugué de phase du terme croisé (c), il est possible de créer une porte ET (b) qui focalise la lumière uniquement lorsque les deux canaux d’entrée sont actifs en même temps. Étant donné que toutes les réponses d’entrée-sortie non linéaires sont enregistrées, il est également possible de mettre en œuvre une porte ET multicanal comme indiqué en (d). Crédit : Institut des sciences fondamentales
Inversement, en effectuant une opération inverse de la représentation du tenseur du troisième ordre de la deuxième onde harmonique, les informations d’entrée d’origine peuvent être récupérées via un processus de décryptage. En utilisant l’opération inverse de la réponse d’entrée-sortie du tenseur, ils ont décodé les signaux originaux à partir de signaux SHG codés de manière aléatoire, ce qui offre une sécurité accrue par rapport au cryptage optique standard qui utilise des supports de diffusion linéaire.
De plus, l’intégration de la conjugaison de phase numérique a permis aux chercheurs de présenter des portes logiques ET entièrement optiques qui ne s’activent que lorsque deux canaux d’entrée spécifiques sont activés simultanément. Cette approche offre des avantages potentiels par rapport à la logique à base de silicium, notamment une consommation d’énergie réduite et des capacités de traitement parallèle à la vitesse de la lumière.
Cette recherche devrait ouvrir de nouvelles frontières dans les domaines de l’informatique optique et de l’apprentissage automatique. « Dans le domaine en plein essor de l’apprentissage automatique tout optique, les couches optiques non linéaires sont essentielles pour améliorer les performances des modèles. Nous étudions actuellement comment nos recherches pourraient être intégrées dans ce domaine », a déclaré le professeur Choi.
L’étude a été financée par l’Institut des sciences fondamentales.
