Использование нелинейной рассеивающей среды для оптического шифрования, вычислений и машинного обучения

Jan 15, 2024

1 августа 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Института фундаментальных наук

Можно ли видеть сквозь рассеивающую среду, например матовое стекло? Традиционно такой подвиг считался бы невозможным. Когда свет проходит через непрозрачную среду, информация, содержащаяся в свете, «перемешивается», как будто подвергается сложному шифрованию. Недавно команда профессора Чой Воншика из Центра молекулярной спектроскопии и динамики IBS (IBS CMSD) обнаружила способ использовать это явление в оптических вычислениях и машинном обучении.

С 2010 года в нескольких предыдущих исследованиях пытались использовать математические методы для использования информации, потерянной из-за рассеивания сред, таких как биологические ткани. Обычно это делается с помощью оптических операторов, таких как матрицы линейного рассеяния, которые можно использовать для определения отношений ввода-вывода фотонов во время их рассеяния.

Эта тема представляла основной исследовательский интерес для команды профессора Чоя из IBS CMSD, и они опубликовали множество работ, в которых сочетаются как аппаратная, так и программная адаптивная оптика для визуализации тканей. Некоторые из их работ были продемонстрированы на новых типах микроскопов, которые могут видеть сквозь рассеивающие среды с высокой непрозрачностью, такие как черепа мышей, а также выполнять глубокую 3D-визуализацию тканей.

Однако все становится намного сложнее, когда в уравнение входит нелинейность. Если рассеивающая среда генерирует нелинейные сигналы, ее уже невозможно представить просто линейной матрицей, так как нарушается принцип суперпозиции. Более того, измерение нелинейных характеристик ввода-вывода становится сложной задачей, что создает сложную основу для исследований.

На этот раз команда профессора Чоя совершила еще один научный прорыв. Они стали первыми, кто обнаружил, что оптический входной-выходной отклик нелинейной рассеивающей среды может определяться тензором третьего порядка, а не линейной матрицей. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.

Тензор третьего порядка — это математический объект, используемый для представления связей между тремя наборами данных. Проще говоря, это массив чисел, организованный в трехмерную структуру. Тензоры представляют собой обобщения скаляров (тензоры 0-го порядка), векторов (тензоры 1-го порядка) и матриц (тензоры 2-го порядка) и обычно используются в различных областях математики, физики и техники для описания физических величин и их взаимосвязей.

Чтобы продемонстрировать это, команда использовала среду, состоящую из наночастиц титаната бария, которые генерируют нелинейные сигналы генерации второй гармоники (ГВГ) из-за присущих титанату бария нецентросимметричных свойств. Эти сигналы ГВГ возникают как квадрат входного электрического поля в результате процесса второй гармоники, вызывая перекрестные члены, когда несколько входных каналов активируются одновременно, нарушая принцип линейной суперпозиции. Исследователи разработали и экспериментально подтвердили новую теоретическую основу, включающую эти перекрестные члены в тензор 3-го порядка.

Чтобы проиллюстрировать это, исследователи измерили перекрестные условия, выделив разницу между выходными электрическими полями, возникающими при одновременной активации двух входных каналов и при активации каждого канала отдельно. Это потребовало дополнительных 1176 измерений, заданных возможными комбинациями двух независимых входных каналов, даже при наличии всего лишь 49 входных каналов.