In un nuovo articolo pubblicato su Luce:scienza e applicazioni , un gruppo guidato dal Professor Andrea Fratalocchi del Primalight Laboratory of the Computer, Divisione Scienze e Ingegneria Elettrica e Matematica (CEMSE), King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Arabia Saudita, introdotto un nuovo brevetto, tecnologia a ottica piatta scalabile prodotta con semiconduttori economici.

La tecnologia progettata da KAUST sfrutta un aspetto precedentemente non riconosciuto dei nanorisonatori ottici, che hanno dimostrato di possedere uno strato fisico che è completamente equivalente a una rete neurale profonda feed-forward.

"Ciò che abbiamo ottenuto, " spiega Fratalocchi, "è un processo tecnologico per rivestire superfici piane, che in gergo ottico si chiamano 'ottica piatta, ' con unità neurali "fisiche" in grado di elaborare la luce come fa una rete neurale con un segnale elettrico".

Queste innovative ottiche piatte raggiungono efficienze prossime all'unità (fino al 99%) nel campo del visibile in superfici ultrasottili, che fornisce il controllo della luce a banda larga e vettoriale sia in trasmissione che in riflessione con la forma del fronte d'onda desiderata. Inoltre, la superficie del silicio nanoshape è ultrasottile (60 nanometri di spessore, 1 nm=1/1000000 di 1mm) e personalizzabile su superfici flessibili.

Il programma utilizzato per progettare la nanosuperficie gira sul supercomputer Shaheen-II di KAUST, un Cray XC40 che offre oltre 7,2 Pflop/s di prestazioni di picco teoriche, ed è realizzato con il software Autonomous Learning Framework for Rule-based Evolutionary Design sviluppato da Fratalocchi e dal suo team.

"Abbiamo sviluppato un programma che utilizza l'intelligenza artificiale per progettare i nanorisonatori. L'algoritmo funziona utilizzando tecniche evolutive:in termini semplici, l'algoritmo è in grado di allenarsi e migliora i suoi risultati dopo ogni ciclo per produrre superfici di efficienza crescente ogni volta che viene eseguito. Nel nostro articolo, abbiamo mostrato componenti sperimentali con prestazioni migliori rispetto all'attuale stato dell'arte in ottica piatta o da dispositivi commerciali disponibili da aziende leader, come Thorlabs e Newport."

Il team di ricerca KAUST sta attualmente pianificando di utilizzare l'ottica piatta per sviluppare nuovi dispositivi piatti che potrebbero rivoluzionare le vecchie tecnologie basate sull'ottica bulk. Tra le novità, Fratalocchi e il suo team stanno costruendo una telecamera per l'occhio umano, un biosensore in grado di 'leggere' le cellule infette dalla malaria e nuovi tipi di display.

"Ci sono davvero infinite applicazioni, " spiega Fratalocchi, "perché quasi tutti i sistemi di misurazione esistenti, in linea di principio, potrebbero essere sostituiti dal loro rapporto costo-efficacia, versioni compatte con ottica piatta. Stiamo sviluppando un approccio di apprendimento statistico che, per ogni dato compito di misurazione, progetta una corrispondente superficie piana che codifica la misura in un'unica immagine ottica, o logogramma. Con questo approccio, l'intero campo del rilevamento e della metrologia potrebbe diventare un'elaborazione del linguaggio naturale basata su logogrammi non lineari."

"Uno dei nostri progetti attuali è una telecamera piatta che può vedere anche meglio dell'occhio umano, che è limitato utilizzando solo tre recettori primari per la visione dei colori. Possiamo anche miniaturizzare qualsiasi componente, non importa quanto ingombrante, " aggiunge Fratalocchi. "Il concetto chiave qui è che una rete neurale è un approssimatore universale che può apprendere qualsiasi funzione. Per questa ragione, possiamo addestrare le nostre ottiche piatte a svolgere qualsiasi compito, o una sequenza di compiti attualmente svolti da sistemi elettronici, solo in meno spazio e alla velocità della luce."

"Con fondi e risorse adeguati, "conclude Fratalocchi, "tra cinque o dieci anni, la maggior parte della tecnologia ingombrante di oggi si sarà ridotta a dimensioni tascabili, con una rivoluzione simile che l'elettronica ha vissuto alla fine del secolo scorso."