非線形散乱媒質を光学暗号化、計算、機械学習に活用

Jan 15, 2024

2023 年 8 月 1 日

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スリガラスのような散乱体を通して見ることはできますか? 従来であれば、このような偉業は不可能だと考えられていました。 光が不透明な媒体を通過すると、光に含まれる情報はまるで複雑な暗号化を受けているかのように「ごちゃ混ぜ」になります。 最近、IBS 分子分光動力学センター (IBS CMSD) の Choi Wonshik 教授のチームは、この現象を光コンピューティングと機械学習で利用する方法を発見しました。

2010 年以降、これまでのいくつかの研究では、生物学的組織などの散乱媒体によって失われた情報を数学を使用して利用することが試みられてきました。 これは通常、線形散乱行列などの光学演算子を使用することによって行われ、散乱を受ける光子の入出力関係を決定するために使用できます。

このテーマは、IBS CMSD の Choi 教授のチームにとって主な研究対象となっており、組織イメージング用のハードウェアベースとソフトウェアベースの補償光学の両方を組み合わせた多くの研究成果を発表しています。 彼らの研究の一部は、マウスの頭蓋骨などの不透明度の高い散乱媒体を通して見ることができ、組織の深部 3D イメージングを実行できる新しいタイプの顕微鏡で実証されました。

ただし、非線形性が方程式に加わると、事態はさらに複雑になります。 散乱媒体が非線形信号を生成する場合、重ね合わせの原理が破られるため、単純に線形行列で表すことができなくなります。 さらに、非線形入出力特性の測定は困難な課題となり、研究にとって厳しい段階となります。

今回、チェ教授のチームはまた新たな科学的進歩を達成した。 彼らは、非線形散乱媒体の光入出力応答が線形行列ではなく、3 次テンソルによって定義できることを最初に発見しました。 この研究結果は、Nature Physics 誌に掲載されています。

3 次テンソルは、3 セットのデータ間の関係を表すために使用される数学オブジェクトです。 簡単に言うと、3 次元構造に配置された数値の配列です。 テンソルは、スカラー (0 次テンソル)、ベクトル (1 次テンソル)、行列 (2 次テンソル) を一般化したもので、物理量とその関係を記述するために数学、物理学、工学のさまざまな分野で一般的に使用されます。

これを実証するために、研究チームは、チタン酸バリウムの固有の非中心対称特性により非線形第二高調波発生 (SHG) 信号を生成するチタン酸バリウム ナノ粒子で構成される媒体を利用しました。 これらの SHG 信号は、第 2 高調波プロセスを通じて入力電界の 2 乗として現れ、複数の入力チャネルが同時にアクティブになるとクロスタームを引き起こし、線形重ね合わせの原理を混乱させます。 研究者らは、3 次テンソルのこれらの交差項を含む新しい理論的枠組みを考案し、実験的に検証しました。

これを説明するために、研究者らは、2 つの入力チャネルが同時にアクティブ化された場合と、各チャネルが個別にアクティブ化された場合に生成される出力電界の差を分離することによってクロスタームを測定しました。 このため、入力チャンネルがわずか 49 個であっても、2 つの独立した入力チャンネルの可能な組み合わせによって追加の 1,176 の測定を設定する必要がありました。