Gli eventi estremi si verificano in molti contesti osservabili. La natura è una fonte prolifica:onde d'acqua canaglia che si innalzano sopra le onde, piogge monsoniche, incendio selvaggio, ecc. Dalla scienza del clima all'ottica, i fisici hanno classificato le caratteristiche degli eventi estremi, estendendo la nozione ai rispettivi domini di competenza. Ad esempio, eventi estremi possono verificarsi nei flussi di dati delle telecomunicazioni. Nelle comunicazioni in fibra ottica in cui può verificarsi un vasto numero di fluttuazioni spazio-temporali nei sistemi transoceanici, un'impennata improvvisa è un evento estremo che deve essere soppresso, in quanto può potenzialmente alterare i componenti associati al livello fisico o interrompere la trasmissione di messaggi privati.

Recentemente, eventi estremi sono stati osservati nei laser a cascata quantistica, come riportato dai ricercatori di Télécom Paris (Francia) in collaborazione con UCLA (USA) e TU Darmstad (Germania). Gli impulsi giganti che caratterizzano questi eventi estremi possono contribuire all'improvviso, scoppi acuti necessari per la comunicazione nei sistemi neuromorfici ispirati dalle potenti capacità computazionali del cervello. Basato su un laser a cascata quantica (QCL) che emette luce nel medio infrarosso, i ricercatori hanno sviluppato un sistema di neuroni ottici di base che opera 10, 000 volte più veloce dei neuroni biologici. Il loro rapporto è pubblicato in Fotonica avanzata .

Impulsi giganti, ritocchi

Olivier Spitz, Ricercatore di Télécom Paris e primo autore del documento, osserva che gli impulsi giganti nelle QCL possono essere attivati ​​con successo aggiungendo un "impulso di eccitazione, " un aumento di breve durata di piccola ampiezza della corrente di polarizzazione. Autore senior Frédéric Grillot, Professore a Télécom Paris e all'Università del New Mexico, spiega che questa capacità di attivazione è di fondamentale importanza per applicazioni come i sistemi ottici simili a neuroni, che richiedono l'attivazione di burst ottici in risposta a una perturbazione.

Il sistema di neuroni ottici del team dimostra comportamenti come quelli osservati nei neuroni biologici, come la sogliatura, picco fasico, e tonificante. La regolazione fine della modulazione e della frequenza consente il controllo degli intervalli di tempo tra i picchi. Grillot spiega, "Il sistema neuromorfo richiede un forte, stimolo super-soglia per il sistema per attivare una risposta di picco, considerando che l'aumento fasico e tonico corrispondono all'emissione di impulsi singoli o continui in seguito all'arrivo di uno stimolo." Per replicare le varie risposte neuronali biologiche, è necessaria anche l'interruzione delle regolari successioni di burst corrispondenti all'attività neuronale.

Laser a cascata quantistica

Grillot osserva che i risultati riportati dal suo team dimostrano il potenziale sempre maggiore dei laser a cascata quantica rispetto ai laser a diodi standard o VCSEL, per i quali sono attualmente necessarie tecniche più complesse per ottenere proprietà neuromorfe.

Dimostrato sperimentalmente per la prima volta nel 1994, i laser a cascata quantica sono stati originariamente sviluppati per l'uso a temperature criogeniche. Il loro sviluppo è avanzato rapidamente, consentendo l'uso a temperature più calde, fino a temperatura ambiente. A causa del gran numero di lunghezze d'onda che possono raggiungere (da 3 a 300 micron), I QCL contribuiscono a molte applicazioni industriali come la spettroscopia, contromisure ottiche, e comunicazioni nello spazio libero.

Secondo Grillot, la fisica coinvolta nei QCL è totalmente diversa da quella dei laser a diodi. "Il vantaggio dei laser a cascata quantistica rispetto ai laser a diodi deriva dalle transizioni elettroniche sub-picosecondi tra gli stati della banda di conduzione (sottobande) e una durata del vettore molto più breve della durata del fotone, " dice Grillot. Sottolinea che i QCL mostrano comportamenti di emissione di luce completamente diversi sotto feedback ottico, inclusi ma non limitati a eventi di impulsi giganti, risposte laser alla modulazione, e la dinamica del pettine di frequenza.