Les physiciens peuvent explorer des systèmes physiques sur mesure pour résoudre rapidement des tâches de calcul difficiles en développant des simulateurs de spin, optimisation combinatoire et focalisation de la lumière à travers des milieux diffusants. Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , C. Tradonsky et un groupe de chercheurs des départements de physique en Israël et en Inde ont abordé le problème de récupération de phase en reconstruisant un objet à partir de sa distribution d'intensité dispersée. Le processus expérimental a abordé un problème existant dans des disciplines allant de l'imagerie par rayons X à l'astrophysique qui manquent de techniques pour reconstruire un objet d'intérêt, où les scientifiques utilisent généralement des algorithmes itératifs indirects qui sont intrinsèquement lents.

Dans la nouvelle approche optique, Tradonsky et al ont à l'inverse utilisé un mode laser à cavité dégénérée numérique (DDCL) pour reconstruire rapidement et efficacement l'objet d'intérêt. Les résultats expérimentaux ont suggéré que la compétition de gain entre les nombreux modes laser agissait comme un ordinateur hautement parallèle pour dissoudre rapidement le problème de récupération de phase. L'approche s'applique à des objets bidimensionnels (2-D) avec un support compact connu et des objets à valeurs complexes, généraliser l'imagerie par les milieux diffusants, tout en accomplissant d'autres tâches de calcul difficiles.

Pour calculer la distribution d'intensité de la lumière diffusée loin d'un objet inconnu relativement facilement, les chercheurs peuvent calculer la source de la valeur absolue de la transformée de Fourier d'un objet. La reconstruction d'un objet à partir de sa distribution d'intensité diffusée est, cependant, mal posé, étant donné que les informations de phase peuvent être perdues et que diverses distributions de phases dans le travail peuvent entraîner des reconstructions différentes. Les scientifiques doivent donc obtenir des informations préalables sur la forme d'un objet, positivité, symétrie spatiale ou parcimonie pour des reconstructions d'objets plus précises. De tels exemples se trouvent en astronomie, études de caractérisation à impulsions courtes, Diffraction des rayons X, détection radar, reconnaissance vocale et lors de l'imagerie à travers des médias troubles. Lors de la reconstruction d'objets d'étendue finie (support compact), les chercheurs proposent une solution unique au problème de récupération de phase, tant qu'ils modélisent la même intensité diffusée à une résolution suffisamment supérieure.

Les physiciens avaient développé plusieurs algorithmes pour résoudre le problème de récupération de phase au cours de la dernière décennie, incluant l'algorithme de réduction d'erreurs Gerchberg-Saxton (GS), algorithme d'entrée-entrée hybride et réflexions alternées moyennes détendues (RAAR). Cependant, ils sont basés sur des projections itératives qui sont relativement lentes même sur des ordinateurs hautes performances. Comme alternative, les équipes de recherche peuvent relever les défis informatiques en utilisant des systèmes physiques spécifiquement adaptés. Bien que de tels systèmes ne soient pas des machines de Turing universelles (c'est-à-dire, ils ne peuvent pas effectuer de calculs arbitraires), ils peuvent potentiellement résoudre efficacement une classe spécifique de problèmes. Résoudre des problèmes difficiles avec de tels systèmes peut être avantageux par rapport à l'utilisation d'ordinateurs conventionnels.

Tradonsky et al ont démontré expérimentalement un nouveau système optique pour résoudre rapidement les problèmes de récupération de phase basé sur un laser à cavité dégénérée numérique (DDCL). Le dispositif intégrait deux contraintes, y compris les magnitudes de Fourier de la lumière diffusée par un objet et le support compact. Le processus de laser non linéaire dans la cavité a abouti à une solution auto-cohérente qui satisfait les deux contraintes. Le mécanisme physique sous-jacent dans le DDCL était similaire à celui observé avec les stimulateurs de spin à oscillateur paramétrique optique (OPO).

Les simulateurs OPO et les DDCL ont tous deux effectué des optimisations via un fonctionnement extrêmement rapide avec la capacité d'éviter les minima locaux et possédaient un paquet d'ondes non gaussien. Les scientifiques ont facilité l'ouverture de support compacte dans la cavité pour assurer différentes configurations de phases laser pour entraîner différentes pertes, pour permettre à la configuration avec des pertes minimales de gagner la compétition de mode et de résoudre le problème de phase. Le système DDCL contenait de nombreuses fonctionnalités intéressantes et importantes, notamment un parallélisme élevé pour fournir des millions de réalisations expérimentales parallèles, temps d'aller-retour courts d'environ 20 nanosecondes, des temps de convergence rapides et un mode de sélection inhérent qui a représenté une perte minimale due à la compétition de mode. En théorie, de toutes les configurations de phases évolutives dans le temps, celui avec l'énergie la plus élevée a remporté la compétition de mode par rapport au gain limité. Par conséquent, plus grand nombre de configurations initiales indépendantes en pratique, plus élevée la probabilité du système de trouver une solution correcte avec une configuration stable et sans pertes.

Dans le montage expérimental, Tradonsky et al ont inclus un laser à cavité dégénérée en anneau avec un milieu de gain inhérent, deux télescopes 4f et un modulateur spatial de lumière en amplitude (SLM). Le système comprenait également une ouverture intracavité, Miroirs de réflectivité 3-D et un coupleur de sortie. L'équipe a utilisé les télescopes 4f de gauche pour imager le centre du milieu de gain sur le SLM et a contrôlé la transmission à chaque pixel, indépendamment. Ils ont combiné l'ouverture intracavité avec le SLM pour contrôler et former la distribution de l'intensité du laser de sortie. Lorsque les scientifiques ont placé une ouverture intracavité (masque de support compact) au plan de Fourier entre les deux lentilles, chaque distribution de phase a démontré un niveau différent de perte. Par conséquent, la distribution de phase avec une perte minimale était le mode laser le plus probable dans l'étude. L'équipe a considéré deux chiffres de mérite pour quantifier la qualité du système, notamment la fidélité de la solution et le temps de calcul. L'équipe de recherche a obtenu des résultats représentatifs pour des objets centrosymétriques avec un très bon accord entre les distributions d'intensité des formes originales (objet réel) et reconstruites.

Tradonsky et al ont mesuré l'effet de la complexité de l'objet sur la fidélité de la reconstruction et ont formé des distributions d'intensité représentatives pour les objets avec quatre, 16, et 30 places. Les résultats ont montré que les objets de complexité plus élevée (ceux avec plus de taches) ont montré une distribution d'intensité de Fourier de complexité plus élevée, avec des détails complexes qui n'ont pas pu être résolus à l'aide du système actuel. Ils ont également noté que les fidélités d'entrée et de reconstruction diminuaient avec l'augmentation de la complexité des objets, qu'ils attribuent au bruit technique fluctuant de la pompe laser. Ils ont mené des expériences qualitatives pour évaluer l'effet de l'étanchéité et de la symétrie lors de la reconstruction d'objets. Les résultats ont montré qu'un support compact et serré améliorait considérablement la qualité de l'objet reconstruit.

L'équipe a ensuite étudié les effets quantitatifs du rayon de l'ouverture du support compact sur la qualité et la fidélité de la reconstruction. Pour les objets plus gros, l'intensité représentative a subi une décroissance rapide pendant la fidélité de reconstruction car le laser était incapable de supporter la forme de l'objet. Avec des objets plus petits que l'ouverture du support compact, Tradonsky et al ont observé une décroissance plus lente de la fidélité. Au total, ils ont observé une fidélité de reconstruction réduite lorsque la caméra faisait la moyenne sur plusieurs réalisations d'un objet dans le système.

Généralement, la résolution des objets reconstruits était relativement faible en raison d'aberrations de phase dans la cavité laser. L'équipe a proposé d'optimiser le système et de réduire les aberrations pour une résolution améliorée. Les scientifiques ont également analysé le temps nécessaire pour proposer une solution de reconstruction utilisant le système et ont trouvé les durées dictées par le SLM (modulateur spatial de lumière) et la lecture de la caméra à environ 20 ms. Le temps de calcul réel du laser n'a duré que moins de 100 nanosecondes. Lorsque Tradonsky et al ont optimisé la configuration expérimentale en utilisant un arrangement laser à cavité dégénérée linéaire à commutation Q avec des cellules de pockel, ils ont réduit le temps de calcul total du système à environ 100 nanosecondes. Relativement, le temps de reconstruction avec l'algorithme RAAR a duré une seconde.

De cette façon. C. Tradonsky et ses collègues ont présenté un système optique de récupération de phase rapide à l'aide d'un nouveau DDCL (laser à cavité dégénérée numérique). Le temps de calcul s'élevait à 100 nanosecondes; ordres de grandeur plus rapides que conventionnels, systèmes de calcul basés sur des algorithmes. Sur la base des résultats, plusieurs modifications du système DDCL peuvent potentiellement améliorer ses performances, y compris une longueur accrue de la cavité laser pour augmenter le nombre d'enquêtes parallèles indépendantes. L'équipe de recherche explorera davantage le système pour résoudre une variété de problèmes et résoudre la qualité de l'imagerie après propagation à travers les milieux de diffusion.

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