Les progrès de l’informatique basée sur la lumière montrent les capacités des futures caméras intelligentes

Les chercheurs qui développent la prochaine génération de technologies informatiques visent à apporter un peu de lumière dans ce domaine – littéralement.

L’informatique optique, qui s’appuie sur des particules de lumière appelées photons, devrait offrir des alternatives aux approches électroniques traditionnelles. De tels systèmes – ou des composants basés sur la lumière de systèmes hybrides qui conservent également des composants électroniques – pourraient être plus rapides, consommer moins d’énergie et calculer les informations visuelles plus efficacement grâce à un traitement simultané et parallèle.

À ce jour, l’informatique optique a été confrontée à une limitation dans l’obtention de réponses non linéaires, ce qui signifie produire des signaux non directement proportionnels à l’entrée. La non-linéarité rend possibles des applications informatiques universelles, y compris l’intelligence artificielle.

Les matériaux et dispositifs non linéaires en cours de développement ont besoin d’une quantité importante de lumière pour fonctionner. Auparavant, cela nécessitait des lasers de grande puissance fonctionnant uniquement dans une bande étroite du spectre électromagnétique ; absorber la lumière au fil du temps, ce qui ralentit le traitement ; ou en utilisant des matériaux peu économes en énergie qui absorbent beaucoup de lumière mais excluent les applications nécessitant une efficacité lumineuse ou une transparence.

Aujourd’hui, une récente étude collaborative menée par des membres du California NanoSystems Institute de l’UCLA, ou CNSI, a introduit un dispositif qui surmonte ces obstacles.

Dans le cadre d’une étape majeure vers l’informatique optique pour le traitement des informations visuelles, les enquêteurs du CNSI ont montré qu’un minuscule réseau de pixels transparents pouvait produire une réponse non linéaire, à large bande, rapide à partir d’une lumière ambiante de faible puissance. L’équipe a également présenté une application qui combine son appareil avec l’appareil photo d’un smartphone pour réduire l’éblouissement des images. L’étude a été publiée dans Nature Communications.

« Les non-linéarités optiques sont bien en deçà de ce dont nous avons besoin pour les applications informatiques visuelles », a déclaré l’auteur co-correspondant Aydogan Ozcan, professeur Volgenau d’innovation en ingénierie à l’école d’ingénierie UCLA Samueli. « Nous avons besoin de non-linéarités à faible consommation, à large bande, à faibles pertes et rapides pour les systèmes optiques afin de répondre à nos besoins informatiques visuels. Ce travail contribue à combler cette lacune.

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Les applications potentielles de cette technologie — au-delà de la réduction de l’éblouissement validée dans l’étude — couvrent une variété d’utilisations grand public et industrielles : détection améliorée pour les véhicules autonomes ; des caméras qui reconnaissent certains objets tout en en cachant d’autres ; cryptage d’images ; et une détection efficace et efficiente des défauts dans les chaînes d’assemblage robotiques, entre autres.

Le dispositif pourrait offrir de nombreux avantages. Par exemple, les images entrantes pourraient être traitées sans conversion en signal numérique, ce qui accélérerait les résultats et réduirait la quantité de données envoyées vers le cloud pour le traitement et le stockage numériques. Les chercheurs envisagent de relier leur technologie à des caméras bon marché et de compresser les données pour produire des images avec une résolution bien supérieure à celle obtenue auparavant, et capturer plus précisément et plus précisément des informations utiles sur la disposition des objets dans l’espace et les spectres électromagnétiques présents dans la lumière.

« Un appareil peu coûteux mesurant quelques centimètres pourrait faire fonctionner une caméra de faible puissance comme une caméra à super-résolution », a déclaré Ozcan, professeur de génie électrique et informatique et de bio-ingénierie à l’UCLA, ainsi que directeur associé au CNSI. « Cela démocratiserait l’accès à l’imagerie et à la détection haute résolution. »

Le dispositif étudié est un plan transparent mesurant 1 cm carré. Il utilise un matériau semi-conducteur 2D – rendu sous forme d’un film de seulement quelques atomes d’épaisseur – qui a été développé par l’auteur co-correspondant Xiangfeng Duan, professeur de chimie et de biochimie à l’UCLA College.

La finesse du matériau le rend transparent, tout en conservant des qualités permettant aux photons entrants de réguler efficacement la conductivité électrique. L’équipe de recherche a couplé le semi-conducteur 2D à une couche de cristaux liquides et l’a rendu fonctionnel grâce à un réseau d’électrodes. Le résultat est un filtre intelligent comprenant 10 000 pixels, chacun capable de s’assombrir de manière sélective et rapide de manière non linéaire lorsqu’il est exposé à une lumière ambiante à large bande.

« Fondamentalement, nous voulons utiliser un matériau qui n’absorbe pas beaucoup de lumière, mais qui produit néanmoins un signal suffisant pour pouvoir traiter la lumière », a déclaré Duan. « Chaque pixel peut passer de complètement transparent à partiellement transparent à opaque. Il suffit d’un petit nombre de photons pour modifier radicalement la transparence.

La recherche a été rendue possible grâce au Fonds d’innovation de la Fondation familiale Elman du CNSI. Une subvention a permis le recrutement du premier auteur de l’étude, le chercheur postdoctoral Dehui Zhang, qui a fait progresser les travaux dans le cadre des groupes de recherche d’Ozcan et de Duan. Zhang et le projet ont mis en relation des membres du corps professoral qui se connaissaient en tant que collègues depuis plus d’une décennie, mais qui n’avaient pas encore exploré comment ils pourraient faire équipe.

« Cette opportunité unique a conduit à une collaboration très, très passionnante », a déclaré Duan. « C’est vraiment génial de sortir de notre zone de confort. Cela m’a montré qu’en tant que développeur de matériaux, je pouvais bénéficier d’aller au-delà d’une étude fondamentale ou d’une preuve de concept pour explorer des applications.

« Nous espérons continuer dans cette voie », a-t-il ajouté. « Ce n’est que le début. Il y a certainement beaucoup plus à faire.

Les autres co-auteurs, tous affiliés à l’UCLA, sont les doctorants Dong Xu, Yuhang Li, Jingxuan Zhou, Yucheng Zhang, Boxuan Zhou, Peiqi Wang et Ao Zhang ; les chercheurs postdoctoraux Yi Luo, Jingtian Hu, Xurong Li et Huaying Ren ; Bijie Bai, qui a obtenu un doctorat en 2023 ; Mona Jarrahi, professeur Northrop Grumman de génie électrique ; et Yu Huang, professeur et président de science et d’ingénierie des matériaux.

L’étude a été en partie financée par l’Office of Naval Research.