Mit neuem optischen Gerät können Ingenieure die Farbe des Lichts feinabstimmen

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Shanhui Fan (Bildnachweis: Rod Searcey)

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Unter den ersten Lektionen, die jeder Grundschüler der Naturwissenschaften lernt, ist, dass weißes Licht überhaupt nicht weiß ist, sondern aus vielen Photonen zusammengesetzt ist, diesen kleinen Energietröpfchen, aus denen Licht besteht, aus jeder Farbe des Regenbogens - Rot, Orange, Gelb , grün, blau, indigo, violett.

Mit einem neuen optischen Gerät können Ingenieure die Farbe des Lichts fein einstellen

Stanford, CA | Veröffentlicht am 23. April 2021

Jetzt haben Forscher der Stanford University ein optisches Gerät entwickelt, mit dem Ingenieure die Frequenzen jedes einzelnen Photons in einem Lichtstrom auf praktisch jede gewünschte Farbmischung ändern und fein einstellen können. Das Ergebnis, das am 23. April in Nature Communication veröffentlicht wurde, ist eine neue photonische Architektur, die Bereiche von digitaler Kommunikation und künstlicher Intelligenz bis hin zu modernstem Quantencomputer transformieren könnte.

"Dieses leistungsstarke neue Werkzeug gibt dem Ingenieur ein Maß an Kontrolle, das bisher nicht möglich war", sagte Shanhui Fan, Professor für Elektrotechnik in Stanford und leitender Autor des Papiers.

Der Kleeblatt-Effekt

Die Struktur besteht aus einem verlustarmen Draht für Licht, das einen Photonenstrom trägt, der wie so viele Autos auf einer stark befahrenen Straße vorbeifährt. Die Photonen treten dann in eine Reihe von Ringen ein, wie die Abfahrten in einem Autobahnkleeblatt. Jeder Ring hat einen Modulator, der die Frequenz der vorbeiziehenden Photonen transformiert - Frequenzen, die unsere Augen als Farbe sehen. Es können so viele Ringe wie nötig vorhanden sein, und die Ingenieure können die Modulatoren fein steuern, um die gewünschte Frequenztransformation einzuwählen.

Zu den Anwendungen, die sich die Forscher vorstellen, gehören optische neuronale Netze für künstliche Intelligenz, die neuronale Berechnungen unter Verwendung von Licht anstelle von Elektronen durchführen. Bestehende Verfahren, die optische neuronale Netze erreichen, ändern nicht tatsächlich die Frequenzen der Photonen, sondern leiten einfach Photonen einer einzelnen Frequenz um. Das Durchführen solcher neuronaler Berechnungen durch Frequenzmanipulation könnte zu viel kompakteren Geräten führen, sagen die Forscher.

"Unser Gerät ist eine deutliche Abkehr von bestehenden Methoden mit geringem Platzbedarf und bietet dennoch eine enorme neue technische Flexibilität", sagte Avik Dutt, Postdoktorand in Fans Labor und zweiter Autor des Papiers.

Sehen das Licht

Die Farbe eines Photons wird durch die Frequenz bestimmt, mit der das Photon in Resonanz ist, was wiederum ein Faktor seiner Wellenlänge ist. Ein rotes Photon hat eine relativ langsame Frequenz und eine Wellenlänge von etwa 650 Nanometern. Am anderen Ende des Spektrums hat blaues Licht eine viel schnellere Frequenz mit einer Wellenlänge von etwa 450 Nanometern.

Eine einfache Transformation könnte die Verschiebung eines Photons von einer Frequenz von 500 Nanometern auf beispielsweise 510 Nanometer beinhalten - oder, wie das menschliche Auge es registrieren würde, einen Wechsel von Cyan zu Grün. Die Stärke der Architektur des Stanford-Teams besteht darin, dass es diese einfachen Transformationen ausführen kann, aber auch viel komplexere mit feiner Kontrolle.

Zur weiteren Erläuterung bietet Fan ein Beispiel für einen einfallenden Lichtstrom, der zu 20 Prozent aus Photonen im Bereich von 500 Nanometern und zu 80 Prozent aus 510 Nanometern besteht. Mit diesem neuen Gerät könnte ein Ingenieur dieses Verhältnis auf 73 Nanometer auf 500 Prozent und auf 27 Nanometer auf 510 Prozent einstellen, wenn dies gewünscht wird, wobei die Gesamtzahl der Photonen erhalten bleibt. Oder die Quote könnte 37 und 63 Prozent betragen. Diese Möglichkeit, das Verhältnis einzustellen, macht dieses Gerät neu und vielversprechend. Darüber hinaus kann in der Quantenwelt ein einzelnes Photon mehrere Farben haben. Unter diesen Umständen ermöglicht das neue Gerät tatsächlich das Ändern des Verhältnisses verschiedener Farben für ein einzelnes Photon.

"Wir sagen, dass dieses Gerät eine 'willkürliche' Transformation ermöglicht, aber das bedeutet nicht 'zufällig'", sagte Siddharth Buddhiraju, der während der Recherche ein Doktorand in Fans Labor war und Erstautor des Papiers ist und jetzt bei Facebook Reality arbeitet Labs. „Stattdessen meinen wir, dass wir jede lineare Transformation erreichen können, die der Ingenieur benötigt. Hier gibt es eine große Menge an technischer Kontrolle. “

„Es ist sehr vielseitig. Der Ingenieur kann die Frequenzen und Proportionen sehr genau steuern und eine Vielzahl von Transformationen sind möglich “, fügte Fan hinzu. „Es gibt dem Ingenieur neue Kraft. Wie sie es nutzen werden, liegt bei ihnen. “

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Weitere Autoren sind die Postdoktoranden Momchil Minkov, jetzt bei Flexcompute, und Ian AD Williamson, jetzt bei Google X.

Diese Forschung wurde vom US Air Force Office of Scientific Research unterstützt.

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Kontakte:
Tom Abate
650-736-2245

@ Stanford

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