Exploiter un milieu de diffusion non linéaire pour le cryptage optique, le calcul et l'apprentissage automatique

Jan 15, 2024

1 août 2023

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par Institut des sciences fondamentales

Peut-on voir à travers un milieu diffusant comme le verre dépoli ? Classiquement, un tel exploit serait jugé impossible. À mesure que la lumière traverse un milieu opaque, les informations contenues dans la lumière se « mélangent », presque comme si elles subissaient un cryptage complexe. Récemment, l'équipe du professeur Choi Wonshik du Centre IBS de spectroscopie et de dynamique moléculaires (IBS CMSD) a découvert un moyen d'utiliser ce phénomène dans le calcul optique et l'apprentissage automatique.

Depuis 2010, plusieurs études antérieures ont tenté d’exploiter les informations perdues en raison de la diffusion de milieux, tels que les tissus biologiques, à l’aide des mathématiques. Cela a généralement été réalisé en employant des opérateurs optiques tels que des matrices de diffusion linéaire, qui peuvent être utilisées pour déterminer les relations entrée-sortie des photons lorsqu'ils subissent une diffusion.

Ce sujet a été d'un intérêt majeur pour la recherche de l'équipe du professeur Choi de l'IBS CMSD, qui a publié de nombreux travaux combinant l'optique adaptative matérielle et logicielle pour l'imagerie tissulaire. Certains de leurs travaux ont été démontrés dans de nouveaux types de microscopes capables de voir à travers des milieux diffusants à forte opacité, tels que les crânes de souris, ainsi que de réaliser une imagerie 3D profonde des tissus.

Cependant, les choses deviennent beaucoup plus complexes lorsque la non-linéarité entre en jeu. Si un milieu diffusant génère des signaux non linéaires, il ne peut plus être représenté simplement par une matrice linéaire, car le principe de superposition est violé. De plus, mesurer les caractéristiques d’entrée-sortie non linéaires devient un défi de taille, ouvrant la voie à une étape exigeante pour la recherche.

Cette fois, l'équipe du professeur Choi a réalisé une nouvelle avancée scientifique. Ils sont devenus les premiers à découvrir que la réponse optique entrée-sortie d'un milieu de diffusion non linéaire peut être définie par un tenseur du troisième ordre, par opposition à une matrice linéaire. Les résultats sont publiés dans la revue Nature Physics.

Le tenseur du troisième ordre est un objet mathématique utilisé pour représenter les relations entre trois ensembles de données. En termes simples, il s’agit d’un tableau de nombres disposés selon une structure tridimensionnelle. Les tenseurs sont des généralisations de scalaires (tenseurs d'ordre 0), de vecteurs (tenseurs d'ordre 1) et de matrices (tenseurs d'ordre 2) et sont couramment utilisés dans divers domaines des mathématiques, de la physique et de l'ingénierie pour décrire des grandeurs physiques et leurs relations.

Pour démontrer cela, l’équipe a utilisé un milieu composé de nanoparticules de titanate de baryum, qui génèrent des signaux non linéaires de génération de seconde harmonique (SHG) en raison des propriétés non centrosymétriques inhérentes du titanate de baryum. Ces signaux SHG émergent sous la forme d'un carré du champ électrique d'entrée à travers le processus de deuxième harmonique, provoquant des termes croisés lorsque plusieurs canaux d'entrée sont activés simultanément, perturbant ainsi le principe de superposition linéaire. Les chercheurs ont conçu et validé expérimentalement un nouveau cadre théorique impliquant ces termes croisés dans un tenseur du troisième ordre.

Pour illustrer cela, les chercheurs ont mesuré les termes croisés en isolant la différence entre les champs électriques de sortie produits lorsque deux canaux d'entrée étaient activés simultanément et lorsque chaque canal était activé séparément. Cela a nécessité 1 176 mesures supplémentaires définies par les combinaisons possibles de deux canaux d'entrée indépendants, même avec seulement 49 canaux d'entrée.