Uma das primeiras lições que qualquer estudante de ciências do ensino fundamental aprende é que a luz branca não é branca, mas sim um composto de muitos fótons, aquelas pequenas gotículas de energia que constituem a luz, de todas as cores do arco-íris - vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, índigo, tolet.

Agora, pesquisadores da Universidade de Stanford desenvolveram um dispositivo óptico que permite aos engenheiros alterar e ajustar as frequências de cada fóton individual em um fluxo de luz para virtualmente qualquer mistura de cores que desejarem. O resultado, publicado em 23 de abril em Comunicação da Natureza , é uma nova arquitetura fotônica que pode transformar campos que vão desde comunicações digitais e inteligência artificial até a computação quântica de ponta.

"Esta nova ferramenta poderosa coloca um grau de controle nas mãos do engenheiro que antes não era possível, "disse Shanhui Fan, professor de engenharia elétrica em Stanford e autor sênior do artigo.

O efeito de folha de trevo

A estrutura consiste em um fio de baixa perda para a luz que transporta um fluxo de fótons que passa como tantos carros em uma via movimentada. Os fótons então entram em uma série de anéis, como as rampas de saída em um trevo de estrada. Cada anel tem um modulador que transforma a frequência dos fótons que passam - frequências que nossos olhos vêem como cores. Pode haver quantos anéis forem necessários, e os engenheiros podem controlar com precisão os moduladores para marcar a transformação de frequência desejada.

Entre as aplicações que os pesquisadores imaginam incluem redes neurais ópticas para inteligência artificial que realizam cálculos neurais usando luz em vez de elétrons. Os métodos existentes que realizam redes neurais ópticas não mudam realmente as frequências dos fótons, mas simplesmente redirecionar fótons de uma única frequência. A realização de tais cálculos neurais por meio da manipulação de frequência pode levar a dispositivos muito mais compactos, dizem os pesquisadores.

"Nosso dispositivo é uma partida significativa dos métodos existentes com uma pequena pegada e, ainda assim, oferece uma nova e tremenda flexibilidade de engenharia, "disse Avik Dutt, um pós-doutorado no laboratório de Fan e segundo autor do artigo.

Vendo a luz

A cor de um fóton é determinada pela frequência com que o fóton ressoa, que, por sua vez, é um fator de seu comprimento de onda. Um fóton vermelho tem uma frequência relativamente lenta e um comprimento de onda de cerca de 650 nanômetros. Na outra extremidade do espectro, a luz azul tem uma frequência muito mais rápida com um comprimento de onda de cerca de 450 nanômetros.

Uma transformação simples pode envolver a mudança de um fóton de uma frequência de 500 nanômetros para, dizer, 510 nanômetros — ou, como o olho humano registraria, uma mudança de ciano para verde. O poder da arquitetura da equipe de Stanford é que ela pode realizar essas transformações simples, mas também outros muito mais sofisticados com controle preciso.

Para explicar melhor, Fan oferece um exemplo de fluxo de luz de entrada composto de 20 por cento de fótons na faixa de 500 nanômetros e 80 por cento em 510 nanômetros. Usando este novo dispositivo, um engenheiro poderia ajustar essa proporção para 73 por cento em 500 nanômetros e 27 por cento em 510 nanômetros, se assim desejar, tudo isso preservando o número total de fótons. Ou a proporção poderia 37 e 63 por cento, para esse assunto. Essa capacidade de definir a proporção é o que torna este dispositivo novo e promissor. Além disso, no mundo quântico, um único fóton pode ter várias cores. Nessa circunstância, o novo dispositivo permite, na verdade, mudar a proporção de cores diferentes para um único fóton.

"Dizemos que este dispositivo permite uma transformação 'arbitrária', mas isso não significa 'aleatória, '"disse Siddharth Buddhiraju, que foi aluno de graduação no Fan's lab durante a pesquisa e é o primeiro autor do artigo e que agora trabalha no Facebook Reality Labs. "Em vez de, Queremos dizer que podemos alcançar qualquer transformação linear que o engenheiro requeira. Há uma grande quantidade de controle de engenharia aqui. "

"É muito versátil. O engenheiro pode controlar as frequências e proporções com muita precisão e uma grande variedade de transformações são possíveis, "Fan acrescentou." Coloca novo poder nas mãos do engenheiro. Como eles vão usar isso é com eles. "