Matemáticas a la velocidad de la luz.

En el artículo High-Index Dielectric Metasurfaces Performing Mathematical Operations, publicado en la revista Nano Letters, investigadores del Centro de Nanofotónica (AMOLF) de Holanda y sus colaboradores del Centro de Investigación Científica Avanzada (CUNY) de Nueva York han creado una superficie nanoestructurada capaz de realizar operaciones matemáticas instantáneas en una imagen de entrada. El procesamiento de imágenes es el núcleo de varias tecnologías de rápido crecimiento, como la realidad aumentada, la conducción autónoma y el reconocimiento de objetos más general. Pero, ¿cómo una computadora encuentra y reconoce un objeto? La detección de bordes en una imagen se convierte en el punto de partida para el reconocimiento de imágenes. Generalmente se realiza digitalmente mediante circuitos electrónicos integrados con limitaciones fundamentales de velocidad y alto consumo de energía, o de manera analógica que requiere una óptica voluminosa. 

Crédito: AMOLF / Nano Letters

El enfoque presentado completamente nuevo, crea una  meta-superficie especial, un sustrato transparente con una matriz especialmente diseñada de nanobarras de silicio. Cuando una imagen se proyecta sobre la meta-superficie, la luz transmitida forma una nueva imagen mostrando los bordes del original. La meta-superficie realiza una operación matemática, la derivada de la imagen, capaz de  proporcionar una sonda directa de bordes. En un primer experimento, se proyectó una imagen del logotipo del Centro sobre la meta-superficie. A una longitud de onda especialmente diseñada (726nm), obteniéndose una imagen clara de los bordes. Cada frecuencia espacial componente de la imagen tiene un coeficiente de transmisión a  través de la meta-superficie, resultado de una interferencia compleja de luz durante la propagación a través de ella. Para demostrar la detección de bordes experimentalmente en una imagen, los investigadores crearon una versión en miniatura de la pintura Meisje met de parel (Chica con un arete de perla, J. Vermeer). Si la imagen se proyecta sobre la metasuperficie utilizando iluminación no resonante (λ = 750 nm), la original se reconoce claramente. Por el contrario, si la iluminación tiene la longitud de onda correcta (λ = 726 nm) los bordes se resuelven claramente en la imagen transformada. Esta nueva técnica de computación óptica e imagen funciona a la velocidad de la luz y la operación matemática en sí no consume energía, solo involucra componentes ópticos pasivos. La metasuperficie se puede implementar fácilmente colocándola directamente en un chip detector CCD o CMOS estándar, permitiendo nuevas oportunidades en la computación híbrida óptica y electrónica de bajo costo, baja potencia y pequeñas dimensiones. El descubrimiento podría aumentar la velocidad de las técnicas de procesamiento de imágenes existentes y reducir el uso de energía permitiendo la detección de objetos ultrarrápidos y aplicaciones de realidad aumentada.

Lectura complementaria:

High-Index Dielectric Metasurfaces Performing Mathematical Operations