Η τεχνολογία των φαντασμάτων

H πρόσφατη παρουσίαση από τη Microsoft μιας κάσκας-οθόνης που, μέσω «ολογραφικής υπολογιστικής», διατρανώνει ότι ενσωματώνει τον ιδεατό κόσμο του υπολογιστή στον πραγματικό χώρο του χρήστη του (βλ. www.microsoft.com/microsoft-hololens/en-us) πότισε με ρίγη συγκίνησης τους πάλαι ποτέ φανατικούς των Star Wars: έφτασε επιτέλους η εποχή τηλεμετάδοσης ζωντανών ολογραφικών στιγμιοτύπων;

Το εύκολο είναι να σβήσουμε τα ρίγη κυνικά, λέγοντάς σας ότι αυτό που κάνει το HoloLens δεν είναι πραγματική ολογραφική απεικόνιση. Το δύσκολο είναι να εξηγήσουμε το τι και το γιατί, να δούμε το πώς και το αν θα μπορούσε να γίνει, να κατανοήσουμε το γιατί ακριβώς χρειαζόμαστε την ολογραφική απεικόνιση και σε ποιο βαθμό. Θα το επιχειρήσουμε, γιατί η εποχή μας απαιτεί «καθαρές εξηγήσεις» από την τεχνολογία και τις υποσχέσεις της.

Ας ξεκινήσουμε με τον κοινό τόπο εξοικείωσής μας με την ολογραφία: την έχουμε ήδη αγγίξει, σχεδόν όλοι μας, κάποια στιγμή στη ζωή μας! Τι εννοώ; Οτι εδώ και μισόν αιώνα εμφανίζονταν κατά καιρούς αξιοθαύμαστες οφθαλμαπάτες τρισδιάστατης απεικόνισης, που άλλοτε ονομάζονταν ολογραφικές και άλλοτε «μαγικές». Θυμηθείτε τον σχολικό χάρακα με την «πλισέ» επιφάνεια, που γυρνώντας τον λίγο δεξιά σού έδειχνε το κουνέλι μαζεμένο, λίγο αριστερά το κουνέλι να πηδάει… Και ύστερα, μετά το 1982, τη MasterCard και τη Visa που είχαν πάνω στις πιστωτικές κάρτες τούς λογότυπούς τους να λαμπυρίζουν τρισδιάστατοι. ‘Η περιοδικά –όπως το «National Geographic», από τον Μάρτιο 1984 –που «πάγωναν τρισδιάστατες εικόνες» στο εξώφυλλό τους.

Τα καταναλωτικά αυτά παραδείγματα θα πρέπει ήδη να σας πονηρεύουν για το ότι «η ολογραφία είναι μια ψευδαίσθηση». Ναι, είναι ένα ξεγέλασμα του νου πως βλέπει την εικόνα αντικειμένων στον χώρο τρισδιάστατη. Ομως, ξέχωρα από τις όποιες φτηνές υλοποιήσεις της, πρόκειται για μια πολύ σοβαρή και πολυσύνθετη υπόθεση. Το άλμα από τη φωτογραφία στην ολογραφία ισοδυναμεί για την ανθρωπότητα με το ποιοτικό άλμα που έκανε περνώντας από τις ραδιοφωνικές εκπομπές στα AM σε εκείνες των FM. Και, κατά τρόπο παράδοξο, η επίτευξη της ολογραφίας οφείλεται ακριβώς σε μια διαμόρφωση συχνοτήτων (frequency modulation, FM) της οπτικής πληροφορίας. Πρόκειται για την κωδικοποίηση και τον χειρισμό του φωτός σαν να είναι… ήχος.

Οταν βλέπουμε ένα αντικείμενο στον χώρο, το αισθανόμαστε «τρισδιάστατο» διότι τα φωτόνια που φθάνουν στο μάτι μας προερχόμενα μετά από πρόσκρουση σε αυτό, το έχουν «λούσει» προσπίπτοντας επάνω του σε μια απειρία γωνιών ανάκλασης. Δηλαδή, ο νους μας αντιλαμβάνεται οπτικά τον κάθε όγκο αποκρυπτογραφώντας αστραπιαία τις «διαφορές δυναμικού των φωτονίων» σχετικά με το σημείο προέλευσης τους καθενός τους. Βασικό στοιχείο για μια τέτοια αποκρυπτογράφηση είναι τα σημεία τομής των οπτικών κυμάτων που βομβαρδίζουν τα μάτια μας, οι λεγόμενοι «κροσσοί περίθλασης» του φωτός.

Μιλώντας με όρους της Οπτικής, η φωτονική περιγραφή κάθε αντικειμένου βασίζεται σε δύο χαρακτηριστικά: το πλάτος και τη φάση του κύματος φωτός. Το πλάτος είναι αυτό που καθορίζει τη φωτεινότητα ανά σημείο και είναι αυτό που καταγράφεται στις φωτογραφίες. Η φάση του κύματος είναι εκείνη η «καταχώριση μνήμης» που καταγράφει με πληρότητα με ποια μονοπάτια ταξίδεψε το φως από σημείο σε σημείο του αντικειμένου –τα άπαντα δηλαδή των προοπτικών από τις οποίες μπορεί να το δει κανείς.

Αν θέλουμε, λοιπόν, να «παγώσουμε» την τρισδιάστατη εικόνα ενός αντικειμένου, ώστε να την ξαναδούμε αργότερα ή να την τηλεμεταδώσουμε αλλού, δεν έχουμε παρά να καταγράψουμε το χωροδικτύωμα των «κροσσών περίθλασης». Είναι σαν να καταγράφεις σε πρόγραμμα όλες τις γωνίες περίθλασης του φωτός, με τις αντίστοιχες ανά σημείο εντάσεις του. Οπότε, αρκεί να έχεις μια απόλυτα ελεγχόμενη πηγή φωτός (όπως ακτίνα λέιζερ) και μία κατάλληλη επιφάνεια διοχέτευσής του, για να «ξεπαγώσεις» την οπτική πληροφορία και να ξαναζωντανέψεις αυτό που είχες συλλάβει οπτικά, νωρίτερα, και να το δεις στον χώρο από όποια γωνία θες. Αυτή η διεργασία είναι η λεγόμενη ολογραφία. Ομως, πώς υλοποιείται ώστε να ξεπεράσει τη φάση της στατικής εικόνας σε ένα εξώφυλλο και να φτάσει στην επιθυμητή ρέουσα τρισδιάστατη απεικόνιση;

Η ολογραφική απεικόνιση στατικών εικόνων έχει επιτευχθεί… κατά λάθος, εδώ και μισό αιώνα. Συγκεκριμένα, ο πρώτος που την κατόρθωσε ήταν ο Ούγγρος Dénes Gabor, το 1947, καθώς προσπαθούσε να βελτιώσει ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για τη βρετανική BTH –του απονεμήθηκε γι’ αυτό το βραβείο Νομπέλ Φυσικής 1971. Ομως, για να φτάσουμε σε μια ποιοτική απεικόνιση κινούμενων αντικειμένων, ο ορισμός της «ολογραφικής οθόνης» είναι ιδιαίτερα απαιτητικός: «Ολογραφική οθόνη είναι ο τύπος τεχνολογίας απεικόνισης που έχει τη δυνατότητα κάλυψης και των τεσσάρων μηχανισμών του οφθαλμού –διοπτρική ανισότητα, παράλλαξη κίνησης, προσαρμογή και σύγκλιση», διαβάζουμε στη Βίβλο του τομέα (www.intechopen.com/books/advances-in-lasers-and-electro-optics/holographic-3-d-displays-electro-holography-within-the-grasp-of-commercialization).

Τι σημαίνει αυτό στην πράξη; Κατά πρώτον, ότι το πέρασμα από το φωτογραφικό φιλμ στο ολογραφικό φιλμ απαίτησε και απαιτεί τη χρήση φοβερά υψηλής ανάλυσης. Για παράδειγμα, ήδη το τύπωμα στατικών ολογραφικών εικόνων στις πιστωτικές κάρτες γίνεται με ανάλυση (διακριτότητα) 3.000 γραμμών ανά χιλιοστό. Αλλά, όταν σκέφτεται κανείς το πέρασμα σε ταινία (βίντεο), ο όγκος της οπτικής πληροφορίας που περιμένει να καταχωριστεί είναι τεράστιος. Από δοκιμές που έγιναν για ολογραφική προβολή σε έξυπνα κινητά τηλέφωνα εκτιμήθηκε οτι θα χρειάζονταν οθόνη ανάλυσης 20.000 Χ 20.000 εικονοστοιχείων (pixels). Θυμίζουμε ότι οι τωρινές οθόνες των κινητών έχουν ανάλυση περίπου 1.000 Χ 2.000 pixels. To πρόβλημα δεν είναι μόνο στο πώς θα υλοποιηθεί μια τέτοια οθόνη αλλά και στο ποιος τηλεπικοινωνιακός φορέας θα αντέξει την τηλεμετάδοση των αντίστοιχων δεδομένων στη συχνότητά του… Το δεύτερο πρόβλημα έχει να κάνει με την απαιτούμενη πηγή φωτισμού: Τα νυν λέιζερ των 50 Hertz θα πρέπει να αναβαθμιστούν σε ταχύτητες GigaHertz και να σμικρυνθούν δραματικά σε μέγεθος.

Με τόσες τεχνικές δυσκολίες να ορθώνονται, η επίτευξη ολογραφικής οθόνης έμοιαζε και μοιάζει πολύ μακρινό όνειρο. Ως… τις 3 Φεβρουαρίου 2015, όταν μια δημοσίευση στο περιοδικό Review of Scientific Instruments (http://scitation.aip.org/content/aip/journal/rsi/86/2/10.1063/1.4906329) τάραξε ελπιδοφόρα τα νερά: Ο καθηγητής του αμερικανικού Brigham Young University (BYU), Daniel E. Smalley, και οι συνεργάτες του στο ΜΙΤ, Andre Henrie και Benjamin Haymore, παρουσίασαν έναν «μαγικό τρόπο» ελέγχου του φωτός, μέσω ακουστικών κυμάτων, ώστε να δομήσουν ολογραφικές οθόνες, όχι μόνον απολύτως λειτουργικές αλλά και πάμφθηνες.

Πώς τα κατάφεραν; Ολα ξεκίνησαν με τη χρήση ενός ειδικού κρυστάλλου που παρουσιάζει εξαιρετικές οπτικές ιδιότητες. Πρόκειται για κρύσταλλο νιοβικού λιθίου (LiNbO3), κάτω από την επιφάνεια του οποίου χάραξαν μικροσκοπικά κανάλια (κυματοδηγούς), μέσω των οποίων διοχετεύεται το φως. Εναπόθεσαν σε κάθε κυματοδηγό από ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο, το οποίο μπορεί να παράγει ακουστικά κύματα επιφανείας.

Από τους πειραματισμούς τους προέκυψε ότι μπορούσαν να υποκαταστήσουν τα οπτικά φίλτρα (που χρησιμοποιούνται στις κλασικές οθόνες TV) με την απλή μεταβολή της συχνότητας του σήματος που έστελναν στον κάθε κυματοδηγό. Δηλαδή, είχαν πλέον έναν χρωματικό διαχωρισμό βάσει «διαίρεσης συχνότητας», που μπορούσε πλέον να δίνει τα αναγκαία κόκκινα ή μπλε εικονοστοιχεία χωρίς να χρησιμοποιούν οπτικά φίλτρα. Ακόμη περισσότερο, διαπίστωσαν ότι ο ίδιος αυτός μηχανισμός περιέστρεφε επίσης την πόλωση του φωτός του σήματος, πράγμα που σημαίνει ότι με ένα απλό πολωτικό φίλτρο μπορούν να εξαλείφουν κάθε θόρυβο στο σύστημα. Οσο για το κόστος, ο κρύσταλλος νιοβικού λιθίου που χρησιμοποίησαν τιμάται μόλις δύο δολάρια. «Αυτό σημαίνει ότι το κόστος της ολογραφικής προβολής βίντεο μπορεί να μειωθεί από δεκάδες χιλιάδες δολάρια σε λιγότερο από χίλια» δήλωσε ο Daniel Smalley.

Οι ερευνητές θεωρούν ότι μπορούμε πλέον να κατασκευάσουμε συσκευή που θα εμφανίζει 50 δισεκατομμύρια pixels ανά δευτερόλεπτο. Οπερ μεθερμηνεύεται στο ότι θα απεικονίζονται τρισδιάστατα και ολογραφικά εικόνες με το ίδιο είδος ανάλυσης ρυθμού απεικόνισης καρέ (frame rate) που βλέπουμε τώρα στις τηλεοράσεις μας. «Τώρα η πρόκληση είναι να αναπτύξουμε έναν υπολογιστή αρκετά ισχυρό ώστε να παρέχει τα στοιχεία που απαιτούνται για να δημιουργηθούν ολογραφικές ταινίες» συμπλήρωσε ο Smalley. Μήπως… βρήκαμε πεδίον δόξης λαμπρόν για τους εκκολαπτόμενους κβαντικούς υπολογιστές;