Photonische Metastruktur führt Vektor-Matrix-Multiplikation durch

Neuauflage von Plato

Verfolger: 0

Photonische Innovation: Forscher in den USA haben ein optisches Metamaterial geschaffen, das eine Vektor-Matrix-Multiplikation durchführen kann. (Mit freundlicher Genehmigung von iStock/Henrik5000)

Eine neue Silizium-Photonik-Plattform, die mathematische Operationen weitaus effizienter durchführen kann als frühere Designs, wurde von vorgestellt Nader Engheta und Kollegen an der University of Pennsylvania. Das in den USA ansässige Team hofft, dass sein System den Fortschritt im optischen Rechnen beschleunigen wird.

Analoge optische Computer können bestimmte Berechnungen effizienter durchführen als herkömmliche digitale Computer. Sie kodieren Informationen in Lichtsignale und senden die Signale dann durch optische Komponenten, die die Informationen verarbeiten. Zu den Anwendungen gehören optische Bildgebung, Signalverarbeitung und Gleichungslösung.

Einige dieser Komponenten können aus photonischen Metamaterialien hergestellt werden, die Anordnungen von Strukturen enthalten, deren Größe der Wellenlänge des Lichts entspricht oder kleiner als diese ist. Durch sorgfältige Kontrolle der Größe und Verteilung dieser Strukturen können verschiedene Informationsverarbeitungskomponenten hergestellt werden.

Im Gegensatz zu den sperrigen Linsen und Filtern, die zur Entwicklung der ersten analogen optischen Computer verwendet wurden, sind auf photonischen Metamaterialien basierende Geräte kleiner und lassen sich leichter in kompakte Schaltkreise integrieren.

Mathematische Operationen

Im letzten Jahrzehnt hat das Team von Engheta mehrere wichtige Beiträge zur Entwicklung solcher Komponenten geleistet. Ab 2014 zeigten sie, dass sich mit photonischen Metamaterialien mathematische Operationen an Lichtsignalen durchführen lassen.

Seitdem haben sie diese Forschung erweitert. „2019 haben wir die Idee von Metamaterialien eingeführt, die Gleichungen lösen können“, sagt Engheta. „Im Jahr 2021 haben wir diese Idee dann auf Strukturen ausgeweitet, die mehr als eine Gleichung gleichzeitig lösen können.“ Im Jahr 2023 entwickelte das Team einen neuen Ansatz zur Herstellung ultradünner optischer Metagitter.

Engheta und Kollegen haben nun die Vektor-Matrix-Multiplikation ins Visier genommen, die eine wichtige Operation für die künstlichen neuronalen Netze ist, die in einigen Systemen der künstlichen Intelligenz verwendet werden. Das Team hat die erste photonische Nanostruktur geschaffen, die eine Vektor-Matrix-Multiplikation durchführen kann. Das Material wurde mithilfe einer Silizium-Photonik-Plattform (SiPh) hergestellt, die optische Komponenten auf einem Siliziumsubstrat integriert.

Inverses Design

Die Forscher verwendeten auch ein inverses Designverfahren. Anstatt eine bekannte Nanostruktur zu nehmen und zu bestimmen, ob sie die richtigen optischen Eigenschaften hat, beginnt das inverse Design mit einer Reihe gewünschter optischer Eigenschaften. Dann wird eine photonische Struktur rückentwickelt, um diese Eigenschaften zu erhalten. Mit diesem Ansatz entwarf das Team ein äußerst kompaktes Material, das sich für Vektor-Matrix-Multiplikationen mit Licht eignet.

Polarisationsschalter macht ultraschnellen photonischen Computer

„Durch die Kombination der inversen Designmethode mit der SiPh-Plattform konnten wir Strukturen mit Größen in der Größenordnung von 10–30 Mikrometern und einer Siliziumdicke zwischen 150–220 nm entwerfen“, erklärt Engheta.

Das Team sagt, dass seine neue photonische Plattform die Vektor-Matrix-Multiplikation weitaus effizienter durchführen kann als bestehende Technologien. Engheta weist außerdem darauf hin, dass die Plattform auch sicherer sei als bestehende Systeme. „Da diese Vektor-Matrix-Multiplikationsberechnung optisch und gleichzeitig erfolgt, muss man die Zwischenstufeninformationen nicht speichern. Daher sind die Ergebnisse und Prozesse weniger anfällig für Hackerangriffe.“

Das Team geht davon aus, dass ihr Ansatz wichtige Auswirkungen auf die Implementierung künstlicher Intelligenz haben wird.

Die Forschung ist beschrieben in Nature Photonics.