Fotonisk metastruktur udfører vektor-matrix multiplikation

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Fotonisk innovation: forskere i USA har skabt et optisk metamateriale, der kan udføre vektor-matrix multiplikation. (Med høflighed: iStock/Henrik5000)

En ny siliciumfotonikplatform, der kan udføre matematiske operationer langt mere effektivt end tidligere designs, er blevet afsløret af Nader Engheta og kolleger ved University of Pennsylvania. Det USA-baserede team håber, at deres system vil fremskynde fremskridtene inden for optisk databehandling.

Analoge optiske computere kan udføre visse beregninger mere effektivt end konventionelle digitale computere. De fungerer ved at indkode information til lyssignaler og derefter sende signalerne gennem optiske komponenter, der behandler informationen. Anvendelser omfatter optisk billeddannelse, signalbehandling og ligningsløsning.

Nogle af disse komponenter kan være lavet af fotoniske metamaterialer, som indeholder arrays af strukturer med størrelser, der er på niveau med eller mindre end lysets bølgelængde. Ved omhyggeligt at kontrollere størrelsen og fordelingen af disse strukturer kan forskellige informationsbehandlingskomponenter fremstilles.

I modsætning til de omfangsrige linser og filtre, der blev brugt til at skabe de første analoge optiske computere, er enheder baseret på fotoniske metamaterialer mindre og lettere at integrere i kompakte kredsløb.

Matematiske operationer

I løbet af det sidste årti har Enghetas team ydet flere vigtige bidrag til udviklingen af sådanne komponenter. Fra 2014 viste de, at fotoniske metamaterialer kan bruges til at udføre matematiske operationer på lyssignaler.

De har siden udvidet denne forskning. "I 2019 introducerede vi ideen om metamaterialer, der kan løse ligninger," siger Engheta. "Så i 2021 udvidede vi denne idé til strukturer, der kan løse mere end én ligning på samme tid." I 2023 udviklede holdet en ny tilgang til fremstilling af ultratynde optiske metagreringer.

Engheta og kolleger har nu rettet blikket mod vektor-matrix multiplikation, som er en vital operation for de kunstige neurale netværk, der bruges i nogle kunstige intelligenssystemer. Holdet har skabt den første fotoniske nanostruktur, der er i stand til at udføre vektor-matrix multiplikation. Materialet blev fremstillet ved hjælp af en silicium fotonik (SiPh) platform, der integrerer optiske komponenter på et silicium substrat.

Omvendt design

Forskerne brugte også en omvendt designprocedure. I stedet for at tage en kendt nanostruktur og afgøre, om den har de korrekte optiske egenskaber, begynder omvendt design med et sæt ønskede optiske egenskaber. Derefter bliver en fotonisk struktur omvendt konstrueret til at have disse egenskaber. Ved hjælp af denne tilgang designede holdet et meget kompakt materiale, der er velegnet til at udføre vektor-matrix multiplikationer med lys.

Polarisationsafbryder gør ultrahurtig fotonisk computer

"Ved at kombinere den omvendte designmetode med SiPh-platformen kunne vi designe strukturer med størrelser i størrelsesordenen 10-30 mikron, med en siliciumtykkelse på mellem 150-220 nm," forklarer Engheta.

Holdet siger, at dens nye fotoniske platform kan udføre vektor-matrix multiplikation langt mere effektivt end eksisterende teknologier. Engheta påpeger også, at platformen også er mere sikker end eksisterende systemer. "Da denne vektor-matrix multiplikationsberegning udføres optisk og samtidigt, behøver man ikke at gemme mellemtrinsinformationen. Derfor er resultaterne og processerne mindre sårbare over for hacking.”

Teamet forudser, at deres tilgang vil have vigtige konsekvenser for, hvordan kunstig intelligens implementeres.

Forskningen er beskrevet i Nature Photonics.