تقوم البنية الفوقية الضوئية بتكاثر المتجهات والمصفوفات – عالم الفيزياء

تم الكشف عن منصة جديدة لضوئيات السيليكون يمكنها إجراء العمليات الحسابية بكفاءة أكبر بكثير من التصميمات السابقة نادر إنجيتا وزملاؤه في جامعة بنسلفانيا. ويأمل الفريق الذي يتخذ من الولايات المتحدة مقراً له أن يعمل نظامه على تسريع التقدم في الحوسبة الضوئية.

يمكن لأجهزة الكمبيوتر الضوئية التناظرية إجراء عمليات حسابية معينة بشكل أكثر كفاءة من أجهزة الكمبيوتر الرقمية التقليدية. وهي تعمل عن طريق تشفير المعلومات في إشارات ضوئية ثم إرسال الإشارات عبر المكونات البصرية التي تعالج المعلومات. وتشمل التطبيقات التصوير البصري ومعالجة الإشارات وحل المعادلات.

يمكن تصنيع بعض هذه المكونات من مواد خارقة ضوئية، والتي تحتوي على مصفوفات من الهياكل ذات أحجام متساوية، أو أصغر، من الطول الموجي للضوء. ومن خلال التحكم الدقيق في حجم هذه الهياكل وتوزيعها، يمكن إنشاء مكونات مختلفة لمعالجة المعلومات.

على عكس العدسات الضخمة والمرشحات التي تم استخدامها لإنشاء أجهزة الكمبيوتر الضوئية التناظرية الأولى، فإن الأجهزة المعتمدة على المواد الفوقية الضوئية أصغر حجمًا وأسهل في الاندماج في الدوائر المدمجة.

عمليات رياضية

على مدار العقد الماضي، قدم فريق إنجيتا العديد من المساهمات المهمة في تطوير مثل هذه المكونات. بدءًا من عام 2014، أظهروا أنه يمكن استخدام المواد الفوقية الضوئية لإجراء عمليات رياضية على الإشارات الضوئية.

لقد توسعوا منذ ذلك الحين في هذا البحث. يقول إنجيتا: "في عام 2019، طرحنا فكرة المواد الخارقة التي يمكنها حل المعادلات". "ثم في عام 2021، قمنا بتوسيع هذه الفكرة لتشمل الهياكل التي يمكنها حل أكثر من معادلة واحدة في نفس الوقت." في عام 2023، طور الفريق طريقة جديدة لتصنيع جزيئات بصرية فائقة الرقة.

وقد وضع إنجيتا وزملاؤه أنظارهم الآن على تكاثر المصفوفة والمتجه، وهي عملية حيوية للشبكات العصبية الاصطناعية المستخدمة في بعض أنظمة الذكاء الاصطناعي. أنشأ الفريق أول بنية نانوية ضوئية قادرة على القيام بضرب المصفوفة والمتجهات. تم تصنيع المادة باستخدام منصة ضوئيات السيليكون (SiPh) التي تدمج المكونات البصرية على ركيزة من السيليكون.

تصميم معكوس

استخدم الباحثون أيضًا إجراء التصميم العكسي. فبدلاً من أخذ بنية نانوية معروفة وتحديد ما إذا كانت تتمتع بالخصائص البصرية الصحيحة، يبدأ التصميم العكسي بمجموعة من الخصائص البصرية المطلوبة. بعد ذلك، يتم إجراء هندسة عكسية للبنية الضوئية للحصول على تلك الخصائص. وباستخدام هذا النهج، صمم الفريق مادة مضغوطة للغاية ومناسبة لإجراء عمليات ضرب مصفوفة المتجهات باستخدام الضوء.

"من خلال الجمع بين طريقة التصميم العكسي ومنصة SiPh، يمكننا تصميم هياكل بأحجام تتراوح بين 10-30 ميكرون، مع سماكة سيليكون تتراوح بين 150-220 نانومتر"، يوضح إنجيتا.

يقول الفريق إن منصته الضوئية الجديدة يمكنها القيام بضرب المصفوفة والمتجه بكفاءة أكبر بكثير من التقنيات الحالية. ويشير إنجيتا أيضًا إلى أن النظام الأساسي أكثر أمانًا من الأنظمة الحالية. "بما أن حساب مضاعفة المصفوفة المتجهة يتم إجراؤه بصريًا وفي وقت واحد، فلا يحتاج المرء إلى تخزين معلومات المرحلة المتوسطة. ولذلك فإن النتائج والعمليات أقل عرضة للقرصنة.

ويتوقع الفريق أن يكون لنهجهم آثار مهمة على كيفية تنفيذ الذكاء الاصطناعي.

تم وصف البحث في طبيعة الضوئيات.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/photonic-metastructure-does-vector-matrix-multiplication/