Η καινοτομία, το τσιπ που ασχολείται με το φως φτάνει

Το οπτικό ασύρματο μπορεί να μην έχει πλέον εμπόδια.

Μελέτη από το Πολυτεχνείο του Μιλάνου με τη Σχολή Προχωρημένων Σπουδών Sant'Anna στην Πίζα και το Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης και του Στάνφορντ, που δημοσιεύτηκε στο Nature Photonics

Μια μελέτη από το Πολυτεχνείο του Μιλάνου, που διεξήχθη μαζί με τη Σχολή Προχωρημένων Σπουδών Sant'Anna στην Πίζα, το Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης και το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ - που δημοσιεύτηκε από το έγκριτο περιοδικό Nature Photonics - κατέστησε δυνατή τη δημιουργία ορισμένων φωτονικά τσιπ που υπολογίζουν μαθηματικά το βέλτιστο σχήμα του φωτός για να περάσει καλύτερα από οποιοδήποτε περιβάλλον, ακόμα και άγνωστο ή μεταβαλλόμενο με την πάροδο του χρόνου.

Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι το πρόβλημα είναι γνωστό: το φως είναι ευαίσθητο σε κάθε μορφής εμπόδιο, ακόμη και σε πολύ μικρά. Ας σκεφτούμε, λένε, για παράδειγμα πώς βλέπουμε αντικείμενα κοιτάζοντας μέσα από παγωμένο γυαλί ή απλά φορώντας γυαλιά με ομίχλη.

Το αποτέλεσμα, συνεχίζουν οι μελετητές, είναι εντελώς παρόμοιο σε μια δέσμη φωτός που μεταφέρει ροές δεδομένων σε οπτικά ασύρματα συστήματα: οι πληροφορίες, αν και ακόμα υπάρχουν, είναι εντελώς παραμορφωμένες και εξαιρετικά δύσκολο να ανακτηθούν. Οι συσκευές που αναπτύχθηκαν σε αυτήν την έρευνα είναι μικρά τσιπ πυριτίου που λειτουργούν σαν έξυπνοι πομποδέκτες: συνεργαζόμενοι σε ζεύγη μπορούν αυτόματα και αυτόνομα να «υπολογίσουν» το σχήμα που πρέπει να έχει μια δέσμη φωτός για να διασχίσει ένα γενικό περιβάλλον με μέγιστη απόδοση. Όχι μόνο αυτό, την ίδια στιγμή μπορούν επίσης να δημιουργήσουν πολλές επικαλυπτόμενες δοκούς, η καθεμία με το δικό της σχήμα, και να τις κατευθύνουν χωρίς να παρεμβαίνουν μεταξύ τους. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατό να αυξηθεί σημαντικά η ικανότητα μετάδοσης, όπως ακριβώς απαιτείται από τα ασύρματα συστήματα νέας γενιάς.

«Τα τσιπ μας είναι μαθηματικοί επεξεργαστές που αντιμετωπίζουν το φως πολύ γρήγορα και αποτελεσματικά, σχεδόν χωρίς να καταναλώνουν ενέργεια. Οι οπτικές δέσμες παράγονται μέσω απλών αλγεβρικών πράξεων, ουσιαστικά προσθηκών και πολλαπλασιασμών, που γίνονται απευθείας στα φωτεινά σήματα και μεταδίδονται από μικροκεραίες ενσωματωμένες απευθείας στα τσιπ. Τα πλεονεκτήματα αυτής της τεχνολογίας είναι πολλά: εξαιρετική απλότητα επεξεργασίας, υψηλή ενεργειακή απόδοση και τεράστιο εύρος ζώνης, που ξεπερνά τα 5000 GHz. λέει ο Francesco Morichetti, επικεφαλής του εργαστηρίου φωτονικών συσκευών στο Πολυτεχνείο του Μιλάνου.

«Σήμερα όλες οι πληροφορίες είναι ψηφιακές, αλλά στην πραγματικότητα, οι εικόνες, οι ήχοι και όλα τα δεδομένα είναι εγγενώς αναλογικά. Η ψηφιοποίηση επιτρέπει πολύ περίπλοκη επεξεργασία, αλλά καθώς ο όγκος των δεδομένων αυξάνεται, αυτές οι λειτουργίες γίνονται όλο και πιο δύσκολο να διατηρηθούν από ενεργειακή και υπολογιστική άποψη. Σήμερα κοιτάμε με μεγάλο ενδιαφέρον την επιστροφή στις αναλογικές τεχνολογίες, μέσω αποκλειστικών κυκλωμάτων (αναλογικοί συνεπεξεργαστές) που θα βοηθήσουν τα συστήματα ασύρματης διασύνδεσης 5G και 6G του μέλλοντος. Τα τσιπ μας λειτουργούν ακριβώς έτσι», υπογραμμίζει ο Andrea Melloni, Διευθυντής του Polifab, του κέντρου μικροτεχνολογίας και νανοτεχνολογίας του Πολυτεχνείου του Μιλάνου.

Ο Marc Sorel, καθηγητής Ηλεκτρονικής στο Ινστιτούτο TeCIP (Ινστιτούτο Τηλεπικοινωνιών, Μηχανικών Υπολογιστών και Φωτονικής) του Scuola Superiore Sant'Anna, προσθέτει τέλος ότι «ο αναλογικός υπολογισμός που πραγματοποιείται με οπτικούς επεξεργαστές είναι ζωτικής σημασίας σε πολλά σενάρια εφαρμογών που περιλαμβάνουν μαθηματικούς επιταχυντές για νευρομορφικά συστήματα, υπολογιστές υψηλής απόδοσης (HPC) e τεχνητή νοημοσύνη, κβαντικούς υπολογιστές και κρυπτογραφία, προηγμένα συστήματα εντοπισμού θέσης και αισθητήρων και γενικά όλα τα συστήματα στα οποία είναι απαραίτητη η επεξεργασία μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων με πολύ υψηλή ταχύτητα».

BlogInnovazione.it