Explorando meio de dispersão não linear para criptografia óptica, computação e aprendizado de máquina

Jan 15, 2024

1º de agosto de 2023

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pelo Instituto de Ciências Básicas

É possível ver através de um meio de dispersão como o vidro fosco? Convencionalmente, tal feito seria considerado impossível. À medida que a luz viaja através de um meio opaco, a informação contida na luz torna-se “confusa”, quase como se sofresse uma criptografia complexa. Recentemente, a equipe do professor Choi Wonshik do Centro IBS de Espectroscopia e Dinâmica Molecular (IBS CMSD) descobriu uma maneira de utilizar esse fenômeno em computação óptica e aprendizado de máquina.

Desde 2010, vários estudos anteriores tentaram aproveitar informações perdidas devido à dispersão de meios, como tecidos biológicos, usando a matemática. Isso normalmente tem sido feito empregando operadores ópticos, como matrizes de espalhamento linear, que podem ser usadas para determinar as relações de entrada-saída dos fótons à medida que eles sofrem espalhamento.

Este tópico tem sido de interesse primário de pesquisa para a equipe do Professor Choi do IBS CMSD, e eles publicaram muitos trabalhos que combinam óptica adaptativa baseada em hardware e software para imagens de tecidos. Alguns de seus trabalhos foram demonstrados em novos tipos de microscópios que podem ver através de meios de dispersão com alta opacidade, como crânios de camundongos, bem como realizar imagens 3D profundas de tecidos.

No entanto, as coisas se tornam muito mais complexas quando a não linearidade entra na equação. Se um meio de espalhamento gera sinais não lineares, ele não pode mais ser representado simplesmente por uma matriz linear, pois o princípio da superposição é violado. Além disso, medir as características não lineares de entrada-saída torna-se um desafio assustador, estabelecendo um cenário exigente para a investigação.

Desta vez, a equipa do Professor Choi conseguiu mais um avanço científico. Eles se tornaram os primeiros a descobrir que a resposta óptica de entrada-saída de um meio de espalhamento não linear pode ser definida por um tensor de terceira ordem, em oposição a uma matriz linear. As descobertas são publicadas na revista Nature Physics.

Tensor de terceira ordem é um objeto matemático usado para representar relacionamentos entre três conjuntos de dados. Em termos simples, é uma matriz de números dispostos em uma estrutura tridimensional. Tensores são generalizações de escalares (tensores de ordem 0), vetores (tensores de 1ª ordem) e matrizes (tensores de 2ª ordem) e são comumente usados ​​em vários campos da matemática, física e engenharia para descrever quantidades físicas e suas relações.

Para demonstrar isso, a equipe utilizou um meio composto por nanopartículas de titanato de bário, que geram sinais não lineares de geração de segundo harmônico (SHG) devido às propriedades não centrossimétricas inerentes ao titanato de bário. Esses sinais SHG emergem como um quadrado do campo elétrico de entrada através do processo de segunda harmônica, causando termos cruzados quando múltiplos canais de entrada são ativados simultaneamente, perturbando o princípio da superposição linear. Os pesquisadores desenvolveram e validaram experimentalmente uma nova estrutura teórica envolvendo esses termos cruzados em um tensor de 3ª ordem.

Para ilustrar isso, os pesquisadores mediram os termos cruzados isolando a diferença entre os campos elétricos de saída produzidos quando dois canais de entrada foram ativados simultaneamente e quando cada canal foi ativado separadamente. Isso exigiu 1.176 medições adicionais definidas pelas possíveis combinações de dois canais de entrada independentes, mesmo com apenas 49 canais de entrada.