Il chip che fa i “conti” con la luce

Su Nature Photonics uno studio del Politecnico di Milano e della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa

Il wireless ottico potrebbe non avere più ostacoli. Uno studio del Politecnico di Milano, condotto insieme alla Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, all’Università di Glasgow e all’Università di Stanford, e pubblicato dalla prestigiosa rivista Nature Photonics, ha permesso di realizzare dei chip fotonici che calcolano matematicamente la forma ottima della luce per attraversare al meglio qualsiasi ambiente, anche sconosciuto o mutevole nel tempo. 

Il problema è ben noto: la luce è sensibile ad ogni forma di ostacolo, anche molto piccolo. Pensiamo ad esempio a come vediamo gli oggetti guardando attraverso un vetro smerigliato o semplicemente indossando 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 in questa ricerca 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 possono anche 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.”. Afferma 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”. Sottolinea 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, aggiunge Marc Sorel, Docente di Elettronica dell'Istituto TeCIP (Telecommunications, Computer Engineering, and Photonics Institute) della Scuola Superiore Sant'Anna.

L’attività è cofinanziata nell’ambito del PNRR dal programma di ricerca e sviluppo RESTART “RESearch and innovation on future Telecommunications systems and networks, to make Italy more smart”, in cui il prof. Andrea Melloni del Politecnico di Milano e il prof. Piero Castoldi dell'Istituto TeCIP della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa coordinano i progetti HePIC e Rigoletto che hanno come obiettivo la realizzazione di prototipi in fotonica integrata e le future reti di comunicazioni ottiche abilitanti per l’infrastruttura 6G.

Lo studio: https://www.nature.com/articles/s41566-023-01330-w