Onderzoekers laten licht rekenen via een compleet nieuwe eigenschap van polarisatie

Licht heeft naast kleur en helderheid nog een eigenschap die minder bekend is: polarisatie, de richting waarin de lichtgolf trilt. Wetenschappers gebruiken die eigenschap al langer om informatie in lichtstralen te verstoppen, bijvoorbeeld voor supersnelle dataverbindingen of beveiligde communicatie. Tot nu toe konden onderzoekers alleen sturen hoe licht trilt, de zogeheten polarisatietoestand. Een team van natuurkundigen laat nu voor het eerst zien dat je ook kunt bepalen hoe zuiver of gemengd die trilling is op elk punt van een lichtstraal apart. Dat extra stuurbare kenmerk heet de polarisatiegraad, en het opent een geheel nieuwe manier om informatie in licht te verpakken.

Het onderzoek, gepubliceerd in Nature, bouwt voort op decennia aan werk rond fotonische technologie, waarbij licht in plaats van elektronen data verwerkt. De onderzoekers gebruikten een spatial light modulator, een chip met miljoenen piepkleine spiegeltjes die het fase-patroon van een laserstraal per pixel kunnen aanpassen. Door de fase van duizenden microscopisch kleine lichtpuntjes willekeurig te laten variëren volgens een precies ingestelde kansverdeling, ontstaat op elke plek in de lichtbundel een eigen combinatie van polarisatietoestand én polarisatiegraad. Zo bouwden de onderzoekers een lichtstraal op met meer dan 1.024 onafhankelijk instelbare punten, elk met een eigen polarisatie-'kleur'.

Kleurenfoto's in één lichtstraal

Om te laten zien wat dat oplevert, kozen de onderzoekers een slimme truc: ze koppelden de rood-groen-blauw-waarden van een digitale foto rechtstreeks aan posities op de zogeheten Poincarébol, het wiskundige model waarmee natuurkundigen elke mogelijke polarisatietoestand beschrijven. Daardoor konden ze complete kleurenbeelden coderen in een laserstraal van precies één golflengte, zonder dat er verschillende kleuren licht aan te pas kwamen. De kleurinformatie zit dan volledig verstopt in de polarisatiestructuur van het licht zelf.

Rekenen en versleutelen met licht

Deze techniek is niet alleen een demonstratie op zich. De onderzoekers gebruikten hun systeem om een optisch neuraal netwerk te voeden: een systeem dat, net als kunstmatige intelligentie op een gewone computer, patronen leert herkennen, maar dan volledig met licht in plaats van elektronische chips. Daarmee classificeerden ze kleurenbeelden razendsnel en parallel, zonder dat er elektronica aan te pas kwam. Opvallend is dat de nauwkeurigheid toenam naarmate er meer optische lagen werden toegevoegd, ook al is elke afzonderlijke laag wiskundig gezien 'lineair'. Dat wijst erop dat de polarisatiegraad zelf een soort niet-lineair rekengedrag oplevert, iets wat normaal alleen met complexere elektronica te bereiken is.

Daarnaast testten de onderzoekers een toepassing in optische versleuteling. Omdat informatie nu verspreid zit over zowel polarisatietoestand als polarisatiegraad, ontstaat een extra beveiligingslaag: een afluisteraar die alleen de gangbare polarisatie-eigenschappen meet, mist een deel van de verstopte data. De onderzoekers noemen dit een stap richting hoogdimensionale versleuteling die moeilijker te kraken is dan bestaande optische methoden.

Belangrijk is dat het systeem gebruikmaakt van bestaande, op de markt verkrijgbare technologie: dezelfde soort spatial light modulators die nu al in projectoren en laserdisplays zitten, en die tot miljoenen pixels aankunnen. Dat maakt de aanpak in principe direct opschaalbaar, zonder dat er compleet nieuwe fabricageprocessen nodig zijn.