El profesor de ingeniería de VCU ayuda a iluminar el camino hacia una informática más potente

30 de agosto de 2023

Un profesor de ingeniería de la Virginia Commonwealth University está arrojando nueva luz sobre un concepto de décadas de antigüedad, que podría impulsar avances desde la defensa nacional hasta los automóviles sin conductor y las telecomunicaciones.

Nathaniel Kinsey, Ph.D., profesor de la Fundación de Ingeniería en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de VCU, lidera un grupo de investigadores que están explorando las fronteras de la computación óptica y el aprendizaje automático. Centrándose en la nanofotónica, estudia la interacción de la luz con los materiales en las escalas más pequeñas.

Aunque el concepto de computación óptica no es nuevo, el interés y la financiación disminuyeron en las décadas de 1980 y 1990, cuando el procesamiento de chips de silicio demostró ser más rentable. Pero las recientes desaceleraciones en la ampliación de las tecnologías basadas en silicio han abierto la puerta a revisar los métodos de procesamiento de datos.

"La computación óptica podría ser el próximo gran avance en la tecnología informática", dijo Kinsey. “Pero hay muchos otros contendientes, como la computación cuántica, para la próxima nueva presencia en el ecosistema computacional. Pase lo que pase, creo que la fotónica y la óptica prevalecerán cada vez más en estas nuevas formas de computación”.

Primero, un vínculo rápido entre el hombre y la máquina: una neurona es una célula cerebral que ayuda a los humanos a pensar y, de la misma manera, una red neuronal artificial ayuda a las máquinas a aprender; por ejemplo, es lo que ayuda a Siri a comprender y responder a nuestras indicaciones. Uno de los componentes poderosos de una red neuronal es el perceptrón, y Kinsey busca usar luz (señales ópticas) en lugar del procesamiento digital tradicional (señales eléctricas) para crear el componente. Su trabajo sobre “perceptrones ópticos no lineales” ha obtenido financiación de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, y el Departamento de Defensa ve la computación óptica como un prometedor paso adelante en la obtención de imágenes militares.

"Digamos que quieres encontrar un tanque dentro de una imagen", dijo Kinsey. “Usar una cámara para capturar la escena, traducir esa imagen en una señal eléctrica y ejecutarla a través de un procesador de computadora tradicional basado en circuitos de silicio requiere mucha potencia de procesamiento, especialmente cuando se intenta detectar, transferir y procesar píxeles más altos. resoluciones. Con el perceptrón óptico no lineal, estamos tratando de descubrir si podemos realizar el mismo tipo de operaciones puramente en el dominio óptico sin tener que traducir nada en señales eléctricas.

"La eliminación o minimización de la electrónica ha sido una especie de santo grial de la ingeniería durante varios años", añadió Kinsey. "Para situaciones en las que la información existe naturalmente en forma de luz, ¿por qué no tener un sistema de entrada y salida óptica sin componentes electrónicos en el medio?"

Los sistemas ópticos lineales, como los circuitos integrados fotónicos que son comunes en las comunicaciones de fibra óptica, utilizan energía limitada pero no son capaces de realizar un procesamiento de imágenes complejo. La construcción de sistemas ópticos no lineales ampliaría la funcionalidad, haciéndolos ideales para plataformas de detección remota en drones y satélites, por ejemplo, para identificar tanques o movimientos de tropas como parte de un sistema de alerta temprana. La investigación de Kinsey busca determinar el impacto de los requisitos de energía adicionales en la computación óptica no lineal.

También existen posibles aplicaciones no militares, incluso si faltan años para las aplicaciones de consumo. En los automóviles sin conductor, la computación óptica podría mejorar el LiDAR, el equipo de detección y alcance de luz que rastrea obstáculos y ayuda a mantener distancias seguras. Para los microbiólogos, la microscopía de campo oscuro podría mejorarse para examinar muestras clínicas. En telecomunicaciones, las redes neuronales ópticas podrían leer etiquetas de direcciones y enviar paquetes de datos sin necesidad de dispositivos electrónicos.

Como parte de la investigación, Kinsey y sus colaboradores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (incluido Dhruv Fomra, uno de los ex doctores de Kinsey). estudiantes de VCU están trabajando para diseñar un nuevo tipo de material ópticamente sensible. Su objetivo es diseñar y producir un dispositivo que combine un material único, llamado épsilon-near-zero, y una superficie nanoestructurada para ofrecer un mejor control sobre la transmisión y el reflejo de la luz, y con requisitos de energía limitados, ya que la luz se dobla y se le da forma. la superficie para realizar el procesamiento de datos.

Kinsey usó el ejemplo de colocar una lámina de plástico negro afuera en un día soleado. El calor cambia su índice de refracción, una medida de su capacidad para desviar la luz.

"Eso se debe a que el objeto está absorbiendo varias longitudes de onda de luz", dijo. "Ahora, si diseñamos un material que es órdenes de magnitud más complejo que una lámina de plástico negro, podemos usar este cambio en el índice de refracción para modificar la reflexión o transmisión de colores individuales, controlando el flujo de luz con luz".

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