Politecnico di Milano e Sant'Anna di Pisa sviluppano il chip che fa i 'conti' con la luce

Politecnico di Milano, Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa, Università di Glasgow e Università di Stanford hanno condotto uno studio, pubblicato su Nature Photonics, in cui illustrano come hanno realizzato chip fotonici "che calcolano matematicamente la forma ottima della luce per attraversare al meglio qualsiasi ambiente, anche sconosciuto o mutevole nel tempo". 

Si tratta di uno studio importante per le future comunicazioni wireless basate su tecnologia ottica. La luce, infatti, è sensibile a ogni forma di ostacolo, anche molto piccolo, un "problema" che si può osservare anche solo indossando degli occhiali appannati.

L'effetto è del tutto analogo su un fascio di luce che trasporta flussi di dati nei sistemi wireless ottici: l'informazione, pur essendo ancora presente, è completamente distorta ed estremamente difficile da recuperare. 

I dispositivi sviluppati dai ricercatori degli atenei coinvolti sono dei piccoli chip di silicio che lavorano come delle ricetrasmittenti intelligenti: cooperando in coppia possono "calcolare" in modo automatico e autonomo quale forma deve avere un fascio di luce per attraversare un ambiente generico con la massima efficienza.

Non solo, allo stesso tempo sono in grado di generare molti fasci sovrapposti, ciascuno con una propria forma, e indirizzarli senza che interferiscano uno con l'altro; in questo modo è possibile aumentare notevolmente la capacità di trasmissione, proprio come richiesto dai sistemi wireless di nuova generazione. 

"I nostri chip sono dei processori matematici che fanno i conti con la luce in modo molto rapido ed efficiente, quasi senza consumare energia. I fasci ottici sono generati attraverso semplici operazioni algebriche, essenzialmente somme e moltiplicazioni, fatte direttamente sui segnali luminosi e sono trasmessi da microantenne integrate direttamente sui chip. I vantaggi di questa tecnologia sono molteplici: estrema semplicità di elaborazione, elevata efficienza energetica ed enorme larghezza di banda, che supera i 5000 GHz", ha dichiarato Francesco Morichetti, responsabile del Photonic Devices Lab del Politecnico di Milano.

"Oggi tutta l'informazione è digitale ma, nella realtà, le immagini, i suoni e tutti i dati sono intrinsecamente analogici. La digitalizzazione permette sì elaborazioni molto complesse, ma al crescere del volume dei dati queste operazioni stanno diventando sempre più difficilmente sostenibili dal punto di vista energetico e computazionale. Oggi si guarda con grande interesse ad un ritorno alle tecnologie analogiche, attraverso circuiti dedicati (coprocessori analogici) che risulteranno abilitanti per i sistemi di interconnessione wireless 5G e 6G del futuro. I nostri chip funzionano proprio così", ha affermato Andrea Melloni, Direttore di Polifab, il centro di micro e nanotecnologie del Politecnico di Milano.

"Il calcolo analogico effettuato con processori ottici è cruciale in numerosi scenari di applicazione che includono acceleratori matematici per sistemi neuromorfici, high-performance computing (HPC) e intelligenza artificiale, computer quantistici e crittografia, sistemi avanzati di localizzazione, posizionamento e sensoristica, ed in generale tutti i sistemi in cui sia necessaria l'elaborazione di grandi quantità di dati ad altissima velocità", ha aggiunto Marc Sorel, Docente di Elettronica dell'Istituto TeCIP (Telecommunications, Computer Engineering, and Photonics Institute) della Scuola Superiore Sant'Anna.