Nuestro director, profesor Esteban Vera Rojas, se adjudicó un proyecto Fondecyt Regular para diseñar y desarrollar redes neuronales ópticas, capaces de medir y corregir el efecto de la turbulencia atmosférica, que afecta tanto la observación astronómica como la comunicación óptica de espacio libre.
El proyecto, denominado DONNAS – Diffractive Optical Neural Networks for Adaptive opticS, propone el diseño de redes neuronales mediante capas ópticas difractivas que permitan corregir las distorsiones atmosféricas sin depender de computación digital compleja, mejorando la corrección atmosférica en telescopios y comunicaciones láser, entregando una solución más compacta y de menor costo, con mayor eficiencia energética.
Óptica adaptativa y comunicaciones ópticas
Para 2030, Chile albergará 2 de los 3 telescopios extremadamente grandes (ELTs), con aperturas mayores a 25 metros, consolidando su posición entre los líderes mundiales en observación astronómica.
En paralelo a este desarrollo, ha aumentado de forma sostenida la cantidad de satélites en órbita terrestre, impulsando el desarrollo de comunicaciones ópticas de alta capacidad, haciendo cada vez más necesaria la implementación de tecnologías que permitan transmitir grandes volúmenes de información de forma eficiente y segura, tanto de forma satelital como terrestre.
Ambas áreas comparten un desafío en común: la turbulencia atmosférica, que distorsiona el camino de la luz, dificultando tanto la observación del universo como la transmisión de información mediante enlaces ópticos en espacio libre.
Para enfrentar este problema, la óptica adaptativa es una tecnología clave, ya que permite corregir en tiempo real las distorsiones causadas por la atmósfera. Sin embargo, a medida que los telescopios aumentan de tamaño y las aplicaciones requieren mayores velocidades, estos sistemas se vuelven más complejos, costosos y demandantes en términos computacionales.
Soluciones de nueva generación
En este contexto, los investigadores del Optolab exploran y promueven el uso de técnicas de deep learning para mejorar el desempeño de estos sistemas. No obstante, el proyecto DONNAS da un paso más allá, ya que plantea desarrollar, testear y validar redes neuronales ópticas, lo que permitirá realizar tareas como el sensado y la corrección del frente de onda, reduciendo o incluso eliminando la necesidad de procesamiento digital.
“Si bien hemos sido impulsores del uso de técnicas de IA para la mejora de los sistemas de óptica adaptativa, también sabemos que la electrónica impone un cuello de botella insoslayable para la medición y control de fenómenos rápidos, como lo es la turbulencia atmosférica”, agrega Benjamín González, estudiante de Doctorado del Optolab involucrado en el proyecto.
Para abordar este desafío, en el laboratorio se diseñarán elementos de óptica difractiva utilizando técnicas de inteligencia artificial. Estarán compuestos de capas de películas holográficas fotosensibles, en las que se graban patrones generados por redes neuronales ópticas, permitiendo que el propio dispositivo realice el procesamiento de la información. Una vez integrado en el sistema óptico, simplificará su arquitectura y reducirá significativamente las necesidades computacionales.
González explica que “durante las últimas décadas hemos visto una transición del uso del electrón hacia el fotón, ya sea en almacenamiento –CD, DVD, Bluray– como en transmisión de datos, con fibra óptica. Lo que falta ahora es el procesamiento de datos donde también podemos utilizar fotones, que mediante manipulación óptica permiten realizar cálculos computacionales a la velocidad de la luz. Este disruptivo proyecto nos permitirá explorar el uso de computación óptica para desarrollar sistemas inteligentes de óptica adaptativa más compactos, eficientes y baratos”, señaló.
Las nuevas redes neuronales ópticas no serán probadas y validadas solamente dentro del laboratorio, sino también en el cielo, utilizando los telescopios del Observatorio Espacial del Campus Curauma, que cuenta con una estación óptica terrestre construida con el Proyecto Anillo SEETRUE y seguirá creciendo con nuevo equipamiento provisto por los nuevos proyectos adjudicados por el Laboratorio, Fondequip Mayor y Anillo QOMMTRUE.
De esta forma, el proyecto busca avanzar hacia soluciones tecnológicas que respondan a desafíos globales en astronomía y comunicaciones, que serán desarrolladas e implementadas localmente desde la Región de Valparaíso. Asimismo, continuará contribuyendo a la formación de estudiantes de pre y postgrado, en áreas como inteligencia artificial y óptica adaptativa, consolidándose además como un espacio privilegiado para la divulgación científica acercando estos desarrollos a la comunidad.
