Un nuevo tipo de dispositivo óptico permite a los ingenieros cambiar las frecuencias de fotones individuales, poniendo nuevas capacidades en manos de estos.

Entre las primeras lecciones que aprende cualquier estudiante de ciencias de la escuela primaria está la que la luz blanca no es blanca en absoluto, sino más bien una combinación de muchos fotones, esas pequeñas gotas de energía que componen la luz, de todos los colores del arco iris: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo, violeta.

Ahora, investigadores de la Universidad de Stanford han desarrollado un dispositivo óptico que permite a los ingenieros cambiar y ajustar las frecuencias de cada fotón individual en un flujo de luz a prácticamente cualquier mezcla de colores que deseen. El resultado, publicado el 23 de abril en Nature Communications , es una nueva arquitectura fotónica que podría transformar campos que van desde las comunicaciones digitales y la inteligencia artificial hasta la computación cuántica de vanguardia.

“Esta nueva y poderosa herramienta pone en manos del ingeniero un grado de control que antes no era posible”, dijo Shanhui Fan , profesor de ingeniería eléctrica en Stanford y autor principal del artículo.

El efecto hoja de trébol

La estructura consiste en un cable de baja pérdida para la luz que transporta una corriente de fotones que por ejemplo, pasan como muchos vehículos en una calle concurrida. Luego, los fotones entran en una serie de anillos, como las rampas de salida. Cada anillo tiene un modulador que transforma la frecuencia de los fotones que pasan, frecuencias que nuestros ojos ven como colores. Puede haber tantos anillos como sea necesario, y los ingenieros pueden controlar con precisión los moduladores para marcar la transformación de frecuencia deseada.

Entre las aplicaciones que los investigadores prevén se incluyen redes neuronales ópticas para inteligencia artificial que realizan cálculos neuronales utilizando luz en lugar de electrones. Los métodos existentes que logran redes neuronales ópticas en realidad no cambian las frecuencias de los fotones, sino que simplemente desvían los fotones de una sola frecuencia. Realizar tales cálculos neuronales a través de la manipulación de frecuencias podría conducir a dispositivos mucho más compactos, dicen los investigadores.

“Nuestro dispositivo es una desviación significativa de los métodos existentes con una huella pequeña y, sin embargo, ofrece una enorme flexibilidad de ingeniería nueva”, dijo Avik Dutt, un becario postdoctoral en el laboratorio de Fan y segundo autor del artículo.

Viendo la luz

El color de un fotón está determinado por la frecuencia a la que «resuena» el fotón, que, a su vez, es un factor de su longitud de onda. Un fotón rojo tiene una frecuencia relativamente lenta y una longitud de onda de aproximadamente 650 nanómetros. En el otro extremo del espectro, la luz azul tiene una frecuencia mucho más rápida con una longitud de onda de aproximadamente 450 nanómetros.

Una transformación simple podría implicar cambiar un fotón de una frecuencia de 500 nanómetros a, digamos, 510 nanómetros, o, como lo registraría el ojo humano, un cambio de cian a verde. El poder de la arquitectura del equipo de Stanford es que puede realizar estas transformaciones simples, pero también otras mucho más sofisticadas con un control preciso.

Para explicarlo con más detalle, Fan ofrece un ejemplo de una corriente de luz entrante compuesta por un 20 % de fotones en el rango de 500 nanómetros y un 80 % en 510 nanómetros. Con este nuevo dispositivo, un ingeniero podría ajustar esa proporción al 73 % a 500 nanómetros y al 27 % a 510 nanómetros, si así lo desea, todo mientras se conserva el número total de fotones. O la proporción podría ser 37 y 63 %, para el caso. Esta capacidad de establecer la proporción es lo que hace que este dispositivo sea nuevo y prometedor. Además, en el mundo cuántico, un solo fotón puede tener varios colores.

En esa circunstancia, el nuevo dispositivo realmente permite cambiar la proporción de diferentes colores para un solo fotón.

«Decimos que este dispositivo permite una transformación ‘arbitraria’, pero eso no significa ‘aleatorio'», dijo Siddharth Buddhiraju, quien era un estudiante graduado en el laboratorio de Fan durante la investigación y es el primer autor del artículo y que ahora trabaja en Facebook Reality. Laboratorios. “En cambio, queremos decir que podemos lograr cualquier transformación lineal que requiera el ingeniero. Aquí hay una gran cantidad de control de ingeniería «.

“Es muy versátil. El ingeniero puede controlar las frecuencias y proporciones con mucha precisión y es posible realizar una amplia variedad de transformaciones ”, agregó Fan. “Pone nuevo poder en manos del ingeniero. Cómo lo usarán depende de ellos «.

Otros autores incluyen a los académicos postdoctorales Momchil Minkov, ahora en Flexcompute, e Ian AD Williamson, ahora en Google X.

Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU.