Grâce à un nouveau dispositif optique, les ingénieurs peuvent affiner la couleur de la lumière

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Fan de Shanhui (Crédit image : Rod Searcey)

Résumé:
L’une des premières leçons apprises par tout élève en sciences à l’école primaire est que la lumière blanche n’est pas du tout blanche, mais plutôt un composé de nombreux photons, ces petites gouttelettes d’énergie qui composent la lumière, de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel – rouge, orange, jaune. , vert, bleu, indigo, violet.

Avec le nouveau dispositif optique, les ingénieurs peuvent affiner la couleur de la lumière

Stanford, Californie | Publié le 23 avril 2021

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Stanford ont développé un dispositif optique qui permet aux ingénieurs de modifier et d'affiner les fréquences de chaque photon individuel dans un flux de lumière pour obtenir pratiquement n'importe quel mélange de couleurs. Le résultat, publié le 23 avril dans Nature Communication, est une nouvelle architecture photonique qui pourrait transformer des domaines allant des communications numériques et de l'intelligence artificielle à l'informatique quantique de pointe.

"Ce nouvel outil puissant donne à l'ingénieur un degré de contrôle qui n'était pas possible auparavant", a déclaré Shanhui Fan, professeur de génie électrique à Stanford et auteur principal de l'article.

L'effet trèfle

La structure consiste en un fil de lumière à faible perte transportant un flux de photons qui passent comme autant de voitures sur une autoroute très fréquentée. Les photons entrent ensuite dans une série d’anneaux, comme les rampes de sortie d’une feuille de trèfle d’autoroute. Chaque anneau possède un modulateur qui transforme la fréquence des photons qui passent – des fréquences que nos yeux perçoivent comme des couleurs. Il peut y avoir autant d'anneaux que nécessaire, et les ingénieurs peuvent contrôler finement les modulateurs pour composer la transformation de fréquence souhaitée.

Parmi les applications envisagées par les chercheurs figurent les réseaux de neurones optiques pour l’intelligence artificielle qui effectuent des calculs neuronaux en utilisant la lumière plutôt que les électrons. Les méthodes existantes permettant de réaliser des réseaux de neurones optiques ne modifient pas réellement les fréquences des photons, mais redirigent simplement les photons d'une seule fréquence. Effectuer de tels calculs neuronaux par manipulation de fréquence pourrait conduire à des dispositifs beaucoup plus compacts, affirment les chercheurs.

"Notre dispositif constitue un changement significatif par rapport aux méthodes existantes, avec un faible encombrement tout en offrant une nouvelle flexibilité d'ingénierie considérable", a déclaré Avik Dutt, chercheur postdoctoral au laboratoire de Fan et deuxième auteur de l'article.

Voir la lumière

La couleur d’un photon est déterminée par la fréquence à laquelle le photon résonne, qui, à son tour, est un facteur de sa longueur d’onde. Un photon rouge a une fréquence relativement lente et une longueur d'onde d'environ 650 nanomètres. À l’autre extrémité du spectre, la lumière bleue a une fréquence beaucoup plus rapide, avec une longueur d’onde d’environ 450 nanomètres.

Une transformation simple pourrait impliquer le déplacement d’un photon d’une fréquence de 500 nanomètres à, disons, 510 nanomètres – ou, comme l’œil humain l’enregistrerait, un changement du cyan au vert. La puissance de l’architecture de l’équipe de Stanford réside dans le fait qu’elle peut effectuer ces transformations simples, mais aussi des transformations beaucoup plus sophistiquées avec un contrôle précis.

Pour expliquer plus en détail, Fan propose un exemple de flux lumineux entrant composé de 20 % de photons dans la plage de 500 nanomètres et de 80 % à 510 nanomètres. Grâce à ce nouveau dispositif, un ingénieur pourrait affiner ce rapport à 73 % à 500 nanomètres et 27 % à 510 nanomètres, s'il le souhaite, tout en préservant le nombre total de photons. Ou encore, le ratio pourrait être de 37 et 63 pour cent. Cette possibilité de définir le rapport est ce qui rend cet appareil nouveau et prometteur. De plus, dans le monde quantique, un seul photon peut avoir plusieurs couleurs. Dans ce cas, le nouveau dispositif permet en fait de modifier le rapport des différentes couleurs pour un seul photon.

"Nous disons que cet appareil permet une transformation 'arbitraire', mais cela ne veut pas dire 'aléatoire'", a déclaré Siddharth Buddhiraju, qui était étudiant diplômé dans le laboratoire de Fan pendant la recherche et est le premier auteur de l'article et qui travaille maintenant chez Facebook Reality. Laboratoires. « Au lieu de cela, nous voulons dire que nous pouvons réaliser n'importe quelle transformation linéaire dont l'ingénieur a besoin. Il y a ici une grande quantité de contrôle technique.

« C'est très polyvalent. L’ingénieur peut contrôler les fréquences et les proportions avec une grande précision et une grande variété de transformations est possible », a ajouté Fan. « Cela donne un nouveau pouvoir à l'ingénieur. La manière dont ils l’utiliseront dépend d’eux.

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Parmi les autres auteurs figurent les chercheurs postdoctoraux Momchil Minkov, maintenant chez Flexcompute, et Ian AD Williamson, maintenant chez Google X.

Cette recherche a été soutenue par le Bureau de recherche scientifique de l’US Air Force.

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