Tra le prime lezioni che impara uno studente di scienze delle elementari c'è che la luce bianca non è affatto bianca, ma piuttosto un composto di molti fotoni, quelle piccole gocce di energia che compongono la luce, da ogni colore dell'arcobaleno:rosso, arancia, giallo, verde, blu, indaco, Viola.

Ora, i ricercatori della Stanford University hanno sviluppato un dispositivo ottico che consente agli ingegneri di modificare e mettere a punto le frequenze di ogni singolo fotone in un flusso di luce praticamente per qualsiasi miscela di colori che desiderano. Il risultato, pubblicato il 23 aprile in Comunicazione della natura , è una nuova architettura fotonica che potrebbe trasformare campi che vanno dalle comunicazioni digitali e l'intelligenza artificiale all'informatica quantistica all'avanguardia.

"Questo nuovo e potente strumento mette nelle mani dell'ingegnere un grado di controllo che prima non era possibile, " ha detto Shanhui Fan, un professore di ingegneria elettrica a Stanford e autore senior dell'articolo.

L'effetto quadrifoglio

La struttura è costituita da un filo a bassa perdita per la luce che trasporta un flusso di fotoni che passano come tante auto su una strada trafficata. I fotoni entrano quindi in una serie di anelli, come le rampe di uscita di un quadrifoglio dell'autostrada. Ogni anello ha un modulatore che trasforma la frequenza dei fotoni che passano, frequenze che i nostri occhi vedono come colore. Possono esserci tanti anelli quanti sono necessari, e gli ingegneri possono controllare con precisione i modulatori per comporre la trasformazione di frequenza desiderata.

Tra le applicazioni che i ricercatori prevedono includono reti neurali ottiche per l'intelligenza artificiale che eseguono calcoli neurali utilizzando la luce invece degli elettroni. I metodi esistenti che realizzano reti neurali ottiche non cambiano effettivamente le frequenze dei fotoni, ma semplicemente reindirizzare i fotoni di una singola frequenza. L'esecuzione di tali calcoli neurali attraverso la manipolazione della frequenza potrebbe portare a dispositivi molto più compatti, dicono i ricercatori.

"Il nostro dispositivo è un significativo allontanamento dai metodi esistenti con un ingombro ridotto e tuttavia offre una straordinaria nuova flessibilità ingegneristica, "ha detto Avik Dutt, uno studioso post-dottorato nel laboratorio di Fan e secondo autore del documento.

Vedendo la luce

Il colore di un fotone è determinato dalla frequenza con cui il fotone risuona, quale, a sua volta, è un fattore della sua lunghezza d'onda. Un fotone rosso ha una frequenza relativamente lenta e una lunghezza d'onda di circa 650 nanometri. All'altra estremità dello spettro, la luce blu ha una frequenza molto più veloce con una lunghezza d'onda di circa 450 nanometri.

Una semplice trasformazione potrebbe comportare lo spostamento di un fotone da una frequenza di 500 nanometri a, dire, 510 nanometri—o, come l'occhio umano lo registrerebbe, un cambiamento da ciano a verde. Il potere dell'architettura del team di Stanford è che può eseguire queste semplici trasformazioni, ma anche molto più sofisticati con un controllo fine.

Per spiegare ulteriormente, Fan offre un esempio di un flusso luminoso in entrata composto dal 20% di fotoni nell'intervallo di 500 nanometri e dall'80% a 510 nanometri. Utilizzando questo nuovo dispositivo, un ingegnere potrebbe mettere a punto quel rapporto al 73 percento a 500 nanometri e al 27 percento a 510 nanometri, se lo si desidera, il tutto preservando il numero totale di fotoni. Oppure il rapporto potrebbe 37 e 63 per cento, per questo motivo. Questa capacità di impostare il rapporto è ciò che rende questo dispositivo nuovo e promettente. Inoltre, nel mondo quantistico, un singolo fotone può avere più colori. In quella circostanza, il nuovo dispositivo permette infatti di cambiare il rapporto tra diversi colori per un singolo fotone.

"Diciamo che questo dispositivo consente la trasformazione 'arbitraria' ma ciò non significa 'casuale, '" disse Siddharth Buddhiraju, che era uno studente laureato nel laboratorio di Fan durante la ricerca ed è il primo autore del documento e che ora lavora presso Facebook Reality Labs. "Anziché, intendiamo dire che possiamo ottenere qualsiasi trasformazione lineare richiesta dall'ingegnere. C'è una grande quantità di controllo ingegneristico qui."

"È molto versatile. L'ingegnere può controllare le frequenze e le proporzioni in modo molto accurato ed è possibile un'ampia varietà di trasformazioni, " Ha aggiunto Fan. " Mette nuovo potere nelle mani dell'ingegnere. Come lo useranno dipende da loro".