物理學(xué)家可以通過開發(fā)自旋模擬器、組合優(yōu)化和通過散射介質(zhì)聚焦光來(lái)探索物理系統(tǒng)，從而快速解決具有挑戰(zhàn)性的計(jì)算任務(wù)。在一份關(guān)于《科學(xué)進(jìn)展》的新報(bào)告中，C.Tradonsky和以色列、印度物理系的一組研究人員，通過從分散的強(qiáng)度分布重建物體來(lái)解決相位恢復(fù)問題。

實(shí)驗(yàn)過程解決了從X射線成像到天體物理學(xué)等學(xué)科中存在的一個(gè)問題，這些學(xué)科缺乏重建感興趣對(duì)象的技術(shù)，在這些學(xué)科中，科學(xué)家通常使用間接迭代算法，這些算法本身就很慢。

在新的光學(xué)方法中，物理學(xué)家們相反地使用數(shù)字簡(jiǎn)并腔激光器(DDCL)模式來(lái)快速有效地重建感興趣的對(duì)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多個(gè)激光模式之間的增益競(jìng)爭(zhēng)就像一臺(tái)高度并行的計(jì)算機(jī)，可以快速解決相位恢復(fù)問題。該方法適用于具有已知小型支持的二維(2-D)對(duì)象和復(fù)值對(duì)象，以通過散射介質(zhì)推廣成像，同時(shí)完成其他具有挑戰(zhàn)性的計(jì)算任務(wù)。為了相對(duì)容易地計(jì)算遠(yuǎn)離未知物體散射光的強(qiáng)度分布，研究人員可以計(jì)算物體傅里葉變換的絕對(duì)值來(lái)源。然而，從其散射強(qiáng)度分布重建對(duì)象是不適定的，因?yàn)橄辔恍畔⒖赡軄G失。

并且研究中的不同相位分布可能導(dǎo)致不同的重建，因此，科學(xué)家必須獲得關(guān)于物體形狀、正性、空間對(duì)稱性或稀疏性的先驗(yàn)信息，以便更精確地重建物體。這樣的例子可以在天文學(xué)、短脈沖特性研究、X射線衍射、雷達(dá)檢測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別和跨混濁介質(zhì)成像時(shí)找到。在有限范圍對(duì)象重建過程中，研究人員提供了相位恢復(fù)問題的唯一解決方案，只要以足夠高的分辨率建模相同散射強(qiáng)度。在過去的十年中，物理學(xué)家們開發(fā)了幾種算法來(lái)解決相位恢復(fù)問題，包括Gerchberg-Saxton(GS)誤差減少算法、混合輸入-輸入算法和松弛平均交替反射(RAAR)。

然而，基于迭代投影，即使在高性能計(jì)算機(jī)上也相對(duì)較慢，作為一種替代方案，研究團(tuán)隊(duì)可以使用專門定制的物理系統(tǒng)來(lái)解決計(jì)算挑戰(zhàn)。雖然這樣的系統(tǒng)不是通用的圖靈機(jī)(即，它們不能執(zhí)行任意計(jì)算)，但它們可以有效地解決特定類別的問題，與使用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)相比，用這樣的系統(tǒng)解決困難問題是有利的。研究實(shí)驗(yàn)證明了一種基于數(shù)字簡(jiǎn)并腔激光器(DDCL)快速解決相位恢復(fù)問題的新光學(xué)系統(tǒng)。該設(shè)備結(jié)合了兩個(gè)約束，包括來(lái)自對(duì)象的散射光的傅立葉幅值和緊湊的支撐，腔內(nèi)非線性激光過程產(chǎn)生了滿足兩個(gè)約束的自洽解決方案。

DDCL中潛在的物理機(jī)制與光學(xué)參量振蕩器(OPO)自旋刺激器觀察到的相似。OPO模擬器和DDCL都通過極快的操作進(jìn)行了優(yōu)化，具有避免局部極小值的能力，并且具有非高斯波包。腔內(nèi)小型支撐孔，以確保激光相位不同配置導(dǎo)致不同的損耗，能讓具有最小損耗的配置贏得模式競(jìng)爭(zhēng)并解決相位問題。DDCL系統(tǒng)具有許多吸引人的重要特性，包括提供數(shù)百萬(wàn)個(gè)并行實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的高并行性、大約20納秒的短往返時(shí)間、快速收斂時(shí)間和固有的選擇模式，該模式可將模式競(jìng)爭(zhēng)造成的損失降至最低。

理論上，在所有時(shí)間演化相位配置中，具有最高能量相位相對(duì)于有限的增益贏得了模式競(jìng)爭(zhēng)。因此，實(shí)際中初始獨(dú)立配置的數(shù)量越多，系統(tǒng)找到正確配置穩(wěn)定且無(wú)損失解決方案的概率就越高。在實(shí)驗(yàn)裝置中，包括一個(gè)具有固有增益介質(zhì)的環(huán)形簡(jiǎn)并腔激光器，兩個(gè)4f望遠(yuǎn)鏡和一個(gè)振幅空間光調(diào)制器(SLM)。該系統(tǒng)還包括腔內(nèi)孔徑，三維反射鏡和輸出耦合器。研究小組使用左邊的4f望遠(yuǎn)鏡將增益介質(zhì)的中心成像到SLM上，并獨(dú)立控制每個(gè)像素的傳輸。將腔內(nèi)孔徑與SLM相結(jié)合，以控制并形成輸出激光強(qiáng)度分布。

當(dāng)科學(xué)家在兩個(gè)透鏡之間的傅立葉平面上放置腔內(nèi)孔徑(緊湊支撐掩模)時(shí)，每個(gè)相位分布顯示出不同程度的損耗。因此，具有最小損耗的相位分布是本研究中最可能的激光模式。團(tuán)隊(duì)考慮了兩個(gè)品質(zhì)指標(biāo)來(lái)量化系統(tǒng)的質(zhì)量，包括解決方案的保真度和計(jì)算時(shí)間。研究小組獲得了中心對(duì)稱物體的代表性結(jié)果，其原始(實(shí)際物體)和重建形式的強(qiáng)度分布非常一致。

科學(xué)家測(cè)量了對(duì)象復(fù)雜性對(duì)重建保真度的影響，并形成了具有4個(gè)、16個(gè)和30個(gè)斑點(diǎn)對(duì)象的代表性強(qiáng)度分布。結(jié)果表明，復(fù)雜性較高的對(duì)象(具有更多斑點(diǎn)的對(duì)象)顯示出更復(fù)雜的傅里葉強(qiáng)度分布，具有使用本系統(tǒng)無(wú)法解決的復(fù)雜細(xì)節(jié)。還注意到輸入和重建保真度隨著對(duì)象復(fù)雜性的增加而降低，將其歸因于激光泵浦的波動(dòng)技術(shù)噪聲。并進(jìn)行了定性實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估物體重建過程中緊密性和對(duì)稱性的影響。結(jié)果表明，小型孔支撐孔徑顯著改善了重建對(duì)象質(zhì)量。然后又研究了小型支撐孔徑的半徑對(duì)重建質(zhì)量和保真度的定量影響。

對(duì)于較大的對(duì)象，由于激光不能支持對(duì)象形狀，因此代表性強(qiáng)度在重建保真度期間經(jīng)歷了快速衰減。對(duì)于小于小型支撐孔徑的物體，科學(xué)家觀察到保真度衰減較慢。總體而言，觀察到當(dāng)相機(jī)在系統(tǒng)內(nèi)對(duì)一個(gè)對(duì)象的多個(gè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行平均時(shí)，重建保真度降低。通常，由于激光腔中的相位像差，重建對(duì)象分辨率相對(duì)較低。研究人員建議優(yōu)化系統(tǒng)并減少像差以提高分辨率?？茖W(xué)家們還分析了使用該系統(tǒng)提供重建解決方案所需的時(shí)間，并發(fā)現(xiàn)SLM(空間光調(diào)制器)和相機(jī)讀數(shù)持續(xù)時(shí)間大約為20毫秒，激光的實(shí)際計(jì)算時(shí)間僅持續(xù)不到100納秒。

當(dāng)研究人員使用帶有口袋電池的Q開關(guān)線性簡(jiǎn)并腔激光裝置優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，將系統(tǒng)的總計(jì)算時(shí)間減少到大約100納秒，相比之下，RAAR算法的重建時(shí)間僅為1秒。以這種方式，C.Tradonsky及其同事提出了一種使用新的DDCL(數(shù)字簡(jiǎn)并腔激光器)快速恢復(fù)相位的光學(xué)系統(tǒng)，計(jì)算時(shí)間達(dá)到100納秒，比傳統(tǒng)基于算法的計(jì)算系統(tǒng)快幾個(gè)數(shù)量級(jí)?；诮Y(jié)果，對(duì)DDCL系統(tǒng)的幾個(gè)修改可以潛在地提高其性能，包括增加激光腔的長(zhǎng)度以增加獨(dú)立平行研究的數(shù)量，現(xiàn)在研究小組將進(jìn)一步探索該系統(tǒng)，以解決各種問題，并解決通過散射介質(zhì)傳播后的成像質(zhì)量。

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參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aax4530

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