Les opérations logiques optiques ont suscité un intérêt majeur au cours de la dernière décennie car elles peuvent permettre de nombreuses applications, en particulier ceux impliquant un traitement de données à haut débit et à la volée, tels que la communication sans fil sécurisée et la conduite autonome. Cependant, les portes logiques optiques signalées reposent fortement sur le contrôle précis de la lumière d'entrée/lumière de la pompe, y compris la phase, polarisation, et amplitude. En raison de la complexité et de la difficulté de ces contrôles précis, les deux états de sortie peuvent souffrir d'une instabilité inhérente et d'un faible rapport de contraste d'intensité. De plus, la miniaturisation des portes logiques optiques devient difficile si l'on considère l'appareillage supplémentaire encombrant pour ces commandes. En tant que tel, c'est désirable, bien que difficile, pour se débarrasser de ces commandes compliquées et pour obtenir une fonctionnalité logique complète dans un système photonique compact.

Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , scientifiques du Centre interdisciplinaire d'information quantique, Université du Zhejiang, Chine, et ses collègues ont introduit une stratégie de conception simple mais universelle, à savoir les réseaux de neurones diffractifs, pour réaliser les sept opérations de logique optique de base dans le même système compact, en utilisant simplement une onde plane comme signal d'entrée. Le réseau de neurones diffractifs est implémenté par une métasurface composée de Huygens, et il peut partiellement imiter la fonctionnalité d'un réseau de neurones artificiels. Après l'entrainement, la métasurface composée peut diffuser ou focaliser de manière directionnelle la lumière codée d'entrée dans l'une des deux petites zones/points désignés, dont l'un représente l'état logique '1' et l'autre '0'. Comme démonstration conceptuelle, trois portes logiques de base, c'est à dire., NE PAS, OU, et et, sont vérifiés expérimentalement à l'aide d'une métasurface diélectrique à haute efficacité à deux couches à la longueur d'onde des micro-ondes.

Par rapport aux travaux antérieurs, cette stratégie de conception présente deux avantages distincts. D'abord, la réalisation d'opérations de logique optique s'affranchit ici du contrôle compliqué et précis des caractéristiques de la lumière d'entrée; un tel schéma est donc totalement différent des travaux antérieurs. De plus, le design de la couche d'entrée est très général et puissant, et il peut être modifié de manière flexible en d'autres formes programmables et privilégiées par l'utilisateur. Seconde, la stratégie proposée peut permettre des fonctionnalités logiques complètes dans un seul réseau optique, si l'état de transmission de la couche d'entrée est simplement accordable, par exemple., accordable électriquement si le masque optique est construit par un modulateur spatial de lumière. Par conséquent, la stratégie de conception universelle révélée a le potentiel de faciliter un seul processeur photonique programmable miniaturisé pour des opérations logiques arbitraires.

Les scientifiques pensent que les portes logiques optiques complètes permettent un grand pas vers davantage de miniaturisation, haute densité de calcul et éléments de calcul ultrarapides, promis par les circuits nanophotoniques et les méta-structures. Au-delà de ça, l'approche proposée conduira également à un large champ d'applications, comme la reconnaissance d'objets en temps réel dans les systèmes de surveillance, et la mise en forme intelligente des ondes à l'intérieur des tissus biologiques en imagerie microscopique.