فشار دادن محدودیت های اپتیک با نویز

اگر نویز، معمولاً یک مصنوع ناخواسته در سیگنال نوری، واقعاً به ما در رمزگذاری اطلاعات بیشتر کمک کند، چه؟

بو شیونگ، استاد دانشگاه ژجیانگ در چین، و تیمش با مهندسی دقیق نویز در ساختارهای نوری فوق نازک به نام متاسرفیس، راهی پیدا کرده اند که کانال های اطلاعاتی بیشتری را در یک سطح منفرد نسبت به آنچه که نظریه مالتی پلاریزاسیون معمولا اجازه می دهد، پیدا کرده است.

Xiong همچنین از یادگیری عمیق برای بازنگری در نحوه طراحی متاسطحها استفاده می کند و شبیه سازی های آزمون و خطای پر زحمت را با مدل هایی جایگزین می کند که می توانند از یک تابع نوری مطلوب به سمت ساختار مورد نیاز برای تولید آن به عقب کار کنند. رویکرد او در نهایت می‌تواند کاربردهایی مانند ذخیره‌سازی داده‌های نوری بسیار متراکم، نمایشگرهای هولوگرافیک با تغییر قطبش پویا و سیستم‌های واقعیت افزوده سبک وزن را فعال کند.

Xiong، یکی از دریافت کنندگان جایزه Wiley Early Career Award در سال 2026، در مورد فیزیک پشت این دستگاه ها، اینکه چرا نویز می تواند مفید باشد و چگونه هوش مصنوعی به پیشرفت طراحی فراسطحی کمک می کند، بحث می کند.

این جایزه چه از نظر شخصی و چه از نظر حرفه ای برای شما چه معنایی دارد؟

دریافت این جایزه هم افتخاری باورنکردنی است و هم دلگرمی بزرگ. به طور حرفه ای، اعتبار قابل توجهی را از جامعه بین المللی اپتیک و نانوفوتونیک برای تلاش های ما برای گسترش دستکاری میدان نوری چند بعدی و ادغام هوش مصنوعی در طراحی معکوس فراهم می کند. شخصاً، این شناخت اعتقاد ما را در دنبال کردن مفاهیم غیرشهودی و پرخطر -مانند تبدیل نویزهای مضر سنتی به درجه آزادی فعال برای شکستن محدودیت‌های فیزیکی اساسی- تقویت می‌کند و گروه تحقیقاتی من را برای ادامه کاوش در قلمرو ناشناخته در نانوفوتونیکی الهام می‌بخشد.

سؤالات اصلی تحقیقی که می خواهید به آنها پاسخ دهید چیست؟

تحقیقات من نانوفوتونیک، فراسطح ها و یادگیری عمیق را به هم مرتبط می کند. در طول دوره دکترا، فوق دکترا و دوره فعلی، کار من بر روی دو سوال اصلی متمرکز شده است: چگونه می توانیم بر محدودیت های فیزیکی ذاتی در دستکاری چند بعدی نور – طول موج فراگیر، مختصات فضایی، فاز، دامنه و به ویژه مالتی پلکس شدن قطبی – در معماری های مسطح طول موج غلبه کنیم؟ و چگونه می توانیم طراحی فراسطحی را از اندازه گیری پارامترهای تجربی و آزمون و خطای عددی به طراحی معکوس انتها به انتها هوشمند مبتنی بر داده تغییر دهیم؟

هدف نهایی ما توسعه سخت‌افزار نوری فشرده، چند منظوره و با اندازه تراشه برای کاربردهای مختلف از رمزگذاری نوری با ظرفیت بالا، تشخیص و ارتباطات گرفته تا ناوبری قطبی و تصویربرداری مادون قرمز چندطیفی است.

“متاسرفیس” چیست و چه چیزی این ساختارهای نوری فوق نازک را بسیار مفید می کند؟

متاسطح یک سطح نوری دو بعدی مهندسی شده است که از آرایه‌هایی از ساختارهای مصنوعی کوچک‌تر از طول موج نور ساخته شده است که معمولاً به عنوان “متا اتم” شناخته می‌شود. اجزای نوری سنتی، مانند لنزهای دوربین یا منشورها، به نوری متکی هستند که از میلی متر شیشه منحنی عبور می کند تا به تدریج تغییر فاز را جمع کند. در مقابل، یک متاسطح می‌تواند به طور ناگهانی و همزمان فاز، دامنه و قطبش نور را در سطح مشترک صدها برابر نازک‌تر از موی انسان تغییر دهد. ارزش آنها از این کوچک سازی استثنایی، سازگاری با لیتوگرافی نیمه هادی مدرن، و توانایی ترکیب چندین عملکرد نوری گسسته بر روی یک تراشه تخت ناشی می شود.

چگونه افزودن نویز ایجاد کانال های نوری مستقل تر را ممکن می کند؟

در اپتیک معمولی و مهندسی اطلاعات، نویز تقریباً به عنوان یک مصنوع ناخواسته در نظر گرفته می شود. با این حال، در مالتیپلکسی پلاریزاسیون، فراسطح های مسطح توسط ماتریس جونز کنترل می شوند که یک حد ریاضی دقیق حداکثر از سه کانال قطبش مستقل را تحمیل می کند. ما از طریق یک چارچوب دو مرحله ای مهندسی نویز بر این محدودیت غلبه کرده ایم.

با درمان معادلات پاسخ بیش از حد تعیین شده با تقریب حداقل مربعات، به جای جستجوی یک راه حل جبری دقیق، کانال های پلاریزاسیون اضافی را باز کردیم. با این حال، این نویز مرتبط حاوی اتصالات خطی از کانال های دیگر است که منجر به تداخل متوسط ​​بین کانال ها می شود. با افزودن عمدی سطح بهینه نویز گاوسی توزیع شده تصادفی، همبستگی های بین کانالی را مختل کردیم و تداخل را به سطح قابل قبولی کاهش دادیم.

به طور موثر، نویز مهندسی شده به عنوان یک درجه اضافی از آزادی طراحی عمل می کند، و مقدار کنترل شده و قابل تحمل نسبت سیگنال به نویز را برای کانال های اطلاعاتی کاملاً جدید و مستقل مبادله می کند.

با استفاده از این روش، شما 11 تصویر هولوگرافیک مستقل از یک متاسطح را با روشن کردن آن با قطبش های مختلف نشان می دهید. این ظرفیت بسیار بیشتر برای ذخیره یا نمایش اطلاعات چه امکاناتی را ممکن است فراهم کند؟

گسترش حد فیزیکی از 3 به 11 کانال پلاریزاسیون مستقل در یک نمونه فراسطحی منفرد نشان دهنده بالاترین ظرفیت گزارش شده برای مالتی پلکسینگ پلاریزاسیون است. با جفت کردن این رویکرد با مالتی پلکس موقعیتی در چهار صفحه طولی، ما 36 کانال هولوگرافیک مستقل را نشان دادیم که یک صفحه کلید هولوگرافیک کامل و کاربردی را تشکیل می‌دادند. این ظرفیت مالتی پلکس پیشرفته چندین قابلیت خاص از جمله ذخیره سازی داده های نوری بسیار متراکم، نمایشگرهای هولوگرافیک قابل تعویض با پلاریزاسیون پویا، رمزنگاری نوری چندلایه و ناوبری قطبش سبک را امکان پذیر می کند.

شما همچنین متاسرفیس هایی را توسعه داده اید که می توانند چندین عملکرد نوری را انجام دهند تا اینکه برای یک هدف واحد طراحی شوند. چرا برای یک دستگاه نوری کوچک انجام چندین کار به طور همزمان مفید است؟

دستگاه‌های نوری سنتی معمولاً به یک کار اختصاص داده می‌شوند: یک لنز نور را متمرکز می‌کند، یک توری رنگ‌ها را پراکنده می‌کند، و یک صفحه موج قطبی‌سازی را تغییر می‌دهد و به مجموعه‌های چند عدسی نیاز دارد که سنگین، حجیم و تراز کردن آنها دشوار است. با کاوش درجات آزادی ساختاری متعدد، یک متاسطح می تواند بسته به حالت روشنایی، وظایف مختلفی را انجام دهد. به عنوان مثال، ما متوجه شدیم که یک لایه فراسطحی منفرد می‌تواند نور را برای تولید هشت پاسخ مختلف تمرکز یا هولوگرافی تعدیل کند. ادغام چندین عملکرد در یک تراشه کوچک، جابجایی تراز را از بین می برد، از دست دادن درج را کاهش می دهد و وزن و حجم محموله را به طور چشمگیری کاهش می دهد – یک مزیت مهم برای هواپیماهای بدون سرنشین، ماهواره ها، دوربین های موبایل و هدست های واقعیت افزوده.

یکی از پروژه های شما تقلید بیولوژیکی را با مالتی پلکس کردن طول موج ترکیب می کند تا یک دستگاه هولوگرافی رنگی ایجاد کند. در طراحی این سیستم از زیست شناسی چه برداشتی کردید و دستگاه حاصل چه کاری می تواند انجام دهد؟

ما از تقلید بیولوژیکی تطبیقی الهام گرفتیم – به ویژه اینکه چگونه موجوداتی مانند اختاپوس تقلید به سرعت ظاهر خود را تغییر می دهند تا به موجودات کاملاً متفاوت در پاسخ به تغییرات محیطی شبیه شوند. این دستگاه از ضریب شکست اطراف به عنوان یک ماشه خارجی استفاده می کند. از آنجایی که نانوساختارها می توانند به طور مستقل نور را در طول موج های مختلف و در محیط های مختلف کنترل کنند، این رویکرد ضمن حفظ کارایی نسبتاً بالا، تصویربرداری جانبی ناخواسته را حذف می کند و راه های جدیدی را برای استتار نوری تطبیقی، سنجش سیال و امنیت رمزنگاری همه کاره باز می کند.

شما از روش های مبتنی بر داده و یادگیری عمیق برای پیش بینی اینکه کدام ساختار پاسخ نوری مورد نظر را ایجاد می کند استفاده می کنید. این چگونه روش طراحی این دستگاه ها را توسط محققان تغییر می دهد؟

طراحی سنتی رو به جلو متکی بر حرکات هدایت شده بصری و شبیه سازی های عددی خشن است. در طراحی متا اتم های چند منظوره با پارامترهای هندسی زیاد، فضای پارامتر به طور تصاعدی رشد می کند و بهینه سازی چند هدفه را به یک جستجوی آزمون و خطا تبدیل می کند.

چارچوب های یادگیری عمیق ما این پارادایم را از دو طریق اصلی تغییر می دهد. به جای استفاده از یک روش دو مرحله ای جداگانه (ابتدا استخراج نمایه فاز و سپس جستجو برای متاتوم های منطبق)، پارامترهای ساختاری را مستقیماً به هدف نوری در سطح سیستم مرتبط می کنیم. با استفاده از یک مدل تولیدی مانند رمزگذار خودکار متغیر به عنوان یک مدل معکوس همراه با یک پیش‌بینی‌کننده شبکه عصبی دقیق، عملکرد نوری مورد نظر می‌تواند مستقیماً به اصلاحات ساختاری وارد شود.

مدل آماری رابطه بین هندسه و طیف های نوری را به تصویر می کشد و به شناسایی مرزهای فیزیکی متا اتم کمک می کند. طرح‌های با وفاداری بالا که قبلاً به هفته‌ها تنظیم دستی پارامترها نیاز داشتند، اکنون می‌توانند در صورت تقاضا در میلی‌ثانیه سنتز شوند.

یک تصویر “تک شات” چه چیزی به شما اجازه می دهد که سیستم های تصویربرداری معمولی نمی توانند؟

سیستم‌های چند طیفی مرسوم به چرخ‌های فیلتر مکانیکی، فیلترهای کریستال مایع قابل تنظیم، یا اسکن فضایی که نوارهای طیفی را به‌طور متوالی ثبت می‌کنند، متکی هستند. این اکتساب متوالی باعث می شود که سیستم ها حجیم، از نظر مکانیکی شکننده باشند و قادر به ضبط اشیاء سریع بدون تاری زمان نباشند. یک “تک شات” باندهای طیفی مختلف را در ناحیه مادون قرمز نزدیک به طور همزمان به زیرپیکسل های فضایی از پیش تعریف شده و جدا شده در یک صفحه کانونی واحد در یک نوردهی منفرد هدف قرار داده و متمرکز می کند. تجزیه طیفی آنی و بدون قطعات متحرک را امکان پذیر می کند، که برای ردیابی رویدادهای بیولوژیکی پویا، انجام تشخیص سریع جراحی و استقرار محموله های پایدار بر روی هواپیماهای بدون سرنشین یا ماهواره ها حیاتی است.

به نظر شما کدام اپلیکیشن از این متاسرفیس های همه کاره و هوشمندانه طراحی شده سود بیشتری می برد و در عمل چه شکلی می تواند داشته باشد؟

دو حوزه عملی می توانند تأثیر فوری داشته باشند: ریزپلتفرم های مستقل و سنجش از دور در صنایع زیست پزشکی و هوافضا، و ذخیره سازی داده های نوری با امنیت بالا و نمایشگرهای واقعیت افزوده فشرده.

ادغام فراسطح های پلاریزاسیون چند کاناله در تراشه های ناوبری می تواند دقت اندازه گیری قطبش را با دستورات بزرگی بهبود بخشد و در عین حال فیلترهای چرخشی حجیم را حذف کند. به طور همزمان، آرایه های متالین چندطیفی نزدیک به مادون قرمز یکبار مصرف را می توان مستقیماً در سنسورهای تصویربرداری استاندارد گالیوم آرسنید ایندیوم ادغام کرد. در عمل، این به میکروپهپادها یا کاوشگرهای آندوسکوپی اجازه می‌دهد تا امضاهای طیفی عملکردی را در زمان واقعی ثبت کنند – به عنوان مثال، تشخیص مرزهای بافت سرطانی از ساختارهای سالم در طول جراحی، بدون نیاز به طیف‌سنج‌های آزمایشگاهی حجیم. توانایی جداسازی بیش از 11 کانال مستقل در هر رابط مسطح، کلیدهای رمزگذاری نوری چندلایه و پویا و ذخیره سازی آرشیوی فوق متراکم را امکان پذیر می کند. برای واقعیت افزوده، فراسطح‌های چند منظوره می‌توانند شکل‌دهی جبهه موج، تصحیح رنگی و نمایش هولوگرافیک را در یک منظره یاب بسیار نازک و شفاف ترکیب کنند و جایگزین اپتیک‌های چند لنز سنگین موجود در هدست‌های فعلی شوند.

جایزه شغلی اولیه Nanophotonics با قدردانی از کار برجسته چهار فردی که در پنج سال گذشته دکترای خود را به پایان رسانده اند و سهم قابل توجهی در پیشرفت نانوفوتونیکی یا نانواپتیکی داشته اند، از دانشمندان جوان حمایت می کند. برندگان به طور رسمی در اجلاس سران نانو 2026 در برلین معرفی شدند.

اعتبار تصویر ویژه: Bo Xiong