Processamento óptico com moduladores espaciais de luz: implementação de portas lógicas para criptografia

Abstract

A crescente demanda por processamento de dados em tempo real em aplicações como redes neurais e sistemas de controle embarcados tem estimulado a busca por alternativas mais rápidas e eficientes aos sistemas eletrônicos tradicionais. Em resposta, investigamos experimentalmente um esquema de processamento óptico que codifica informações na frente de onda transversal de campos de luz usando moduladores espaciais de luz. Nosso objetivo é explorar os limites do paralelismo impostos por restrições técnicas. Começamos implementando uma porta lógica XOR óptica aplicada a matrizes binárias. Ao analisar a taxa média de erro na operação óptica entre matrizes de tamanhos variados (até 300 × 300 elementos), analisamos a capacidade de profundidade de bits do sistema e o papel da redundância de informações. Além disso, demonstramos com sucesso a criptação e a desencriptação de imagens com chave de uso único (one-time pad) para matrizes de até 164 × 164 elementos. Essas descobertas apoiam o desenvolvimento de um processador óptico de matriz de alta dimensionalidade.

Abstract: The growing demand for real-time data processing in applications such as neural networks and embedded control systems has spurred the search for faster, more efficient alternatives to traditional electronic systems. In response, we experimentally investigate an optical processing scheme that encodes information in the transverse wavefront of light fields using spatial light modulators. Our goal is to explore the limits on parallelism imposed by technical constraints. We begin by implementing an optical XOR logic gate applied to binary matrices. By analyzing the average error rate in the optical operation between matrices of varying sizes (up to 300×300 elements), we analyze the bit depth capacity of the system and the role of information redundancy. Furthermore, we successfully demonstrate image encryption and decryption using a one-time pad protocol for matrices as large as 164 × 164 elements. These findings support the development of a high-dimensional matrix optical processor.