Los investigadores pueden resolver ecuaciones matemáticas haciendo brillar la luz a través de la llamada metasuperficie de nanoestructuras de silicio ingeniosamente diseñadas. Esto es más rápido y más eficiente energéticamente que calcular con la electrónica.
Los desarrollos tecnológicos, como la inteligencia artificial y el reconocimiento de imágenes, son cada vez más complejos, pero también requieren cada vez más energía. Las corrientes eléctricas que se disparan a través de los circuitos electrónicos encuentran resistencia y la energía se pierde en forma de calor.
Los cálculos analógicos con luz pueden ofrecer consuelo. Genera menos calor y, por lo tanto, es más eficiente energéticamente. Además, calcula mucho más rápido que la electrónica. La luz viaja casi a la velocidad de la luz a través de las nanoestructuras que hacen posible los cálculos. Esto lo hace adecuado para aplicaciones en las que la velocidad y la eficiencia son importantes, como el reconocimiento de imágenes en vehículos autónomos.
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Metasuperficie
la especialidad Computación óptica, en el que los físicos investigan formas de calcular con la luz, está, por tanto, en auge. Los investigadores de AMOLF, en colaboración con la Universidad de Pensilvania y la Universidad de la Ciudad de Nueva York, ahora han dado un nuevo paso, escriben en la Naturaleza. Muestran que con luz y una nanoestructura ingeniosamente diseñada, un metamaterial, se pueden realizar cálculos matemáticos complejos llamados inversiones de matriz.
Los metamateriales son estructuras desarrolladas artificialmente que se comportan como materiales con propiedades que no se encuentran en los materiales naturales. Como resultado, pueden, por ejemplo, refractar la luz de forma diferente a como lo hacen los materiales naturales.
Reconocimiento de imagen
La investigación continúa trabajo anterior parte de este grupo de investigación utilizó la técnica para reconocer los bordes de los objetos en las imágenes. La detección de bordes de edificios y personas, por ejemplo, es una parte importante del reconocimiento de imágenes.
Para ello desarrollaron una metasuperficie, que consiste en estructuras de silicio de unas diezmilésimas de milímetro de tamaño, sobre una superficie transparente. Cuando la luz de una imagen pasa a través de ella, se dispersa y rebota alrededor de esta superficie de tal manera que aparece una imagen en el otro lado con solo los bordes de los objetos en la imagen.
Este método de detección de bordes es más rápido y más eficiente que una computadora, dice el físico alberto poleman de AMOLF. ‘En la metasuperficie, la luz de la imagen se procesa inmediatamente. Con una computadora, serían necesarios varios pasos.’ La imagen primero debe convertirse en bits con una cámara, que una computadora puede procesar. Luego la máquina hace el cálculo para encontrar los bordes, y solo entonces tienes el resultado.
Calculos matematicos
Después de la detección exitosa de bordes, los investigadores analizaron si podían aplicar la técnica a cálculos matemáticos más complejos llamados inversiones de matriz. Estos cálculos se utilizan ampliamente en ciencia, ingeniería y economía, por ejemplo, en sistemas operativos de aviones y robots, o en sistemas de navegación y animaciones por computadora.
Para ello, los investigadores desarrollaron un sistema formado por un espejo y una metasuperficie con una fina estructura de silicio. El espejo sigue rebotando la luz hacia la superficie. Esto es necesario porque los pasos deben repetirse en estos cálculos. La respuesta a la ecuación se puede leer a partir de los rayos de luz que esto produce.
Los resultados muestran que se pueden resolver inversiones de matrices con esta técnica en menos de una billonésima de segundo. Eso es más rápido de lo que es posible con la mayoría de los métodos informáticos.
Múltiples superficies meta
Incluso hoy en día, cada tarea computacional requiere su propia metasuperficie especialmente diseñada. Por lo tanto, la técnica es particularmente adecuada para asumir tareas específicas de una computadora. Para hacer que el método sea más flexible, los investigadores están trabajando en una nueva estructura en la que pueden cambiar eléctricamente las propiedades del metamaterial. Luego puede programar eléctricamente qué cálculo se lleva a cabo.
“El siguiente paso es que la propia luz ajuste el metamaterial para que pueda realizar el cálculo deseado con esa luz”, dice Polman. ‘Esa es la aplicación de los sueños, pero aún falta mucho.’