Η φωτονική μεταδομή κάνει πολλαπλασιασμό διανύσματος-μήτρας

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

Φωτονική καινοτομία: ερευνητές στις ΗΠΑ δημιούργησαν ένα οπτικό μεταϋλικό που μπορεί να εκτελέσει πολλαπλασιασμό διανύσματος-μήτρας. (Ευγενική προσφορά: iStock/Henrik5000)

Μια νέα πλατφόρμα φωτονικής πυριτίου που μπορεί να κάνει μαθηματικές πράξεις πολύ πιο αποτελεσματικά από τα προηγούμενα σχέδια παρουσιάστηκε από Nader Engheta και συναδέλφους στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια. Η ομάδα με έδρα τις ΗΠΑ ελπίζει ότι το σύστημά της θα επιταχύνει την πρόοδο στον οπτικό υπολογιστή.

Οι αναλογικοί οπτικοί υπολογιστές μπορούν να κάνουν ορισμένους υπολογισμούς πιο αποτελεσματικά από τους συμβατικούς ψηφιακούς υπολογιστές. Λειτουργούν κωδικοποιώντας πληροφορίες σε φωτεινά σήματα και στη συνέχεια στέλνοντας τα σήματα μέσω οπτικών στοιχείων που επεξεργάζονται τις πληροφορίες. Οι εφαρμογές περιλαμβάνουν οπτική απεικόνιση, επεξεργασία σήματος και επίλυση εξισώσεων.

Μερικά από αυτά τα συστατικά μπορούν να κατασκευαστούν από φωτονικά μεταϋλικά, τα οποία περιέχουν συστοιχίες δομών με μεγέθη ίσα ή μικρότερα από το μήκος κύματος του φωτός. Με τον προσεκτικό έλεγχο του μεγέθους και της κατανομής αυτών των δομών, μπορούν να κατασκευαστούν διάφορα στοιχεία επεξεργασίας πληροφοριών.

Σε αντίθεση με τους ογκώδεις φακούς και τα φίλτρα που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία των πρώτων αναλογικών οπτικών υπολογιστών, οι συσκευές που βασίζονται σε φωτονικά μεταϋλικά είναι μικρότερες και πιο εύκολο να ενσωματωθούν σε συμπαγή κυκλώματα.

Μαθηματικές πράξεις

Την τελευταία δεκαετία, η ομάδα της Engheta έχει κάνει αρκετές σημαντικές συνεισφορές στην ανάπτυξη τέτοιων εξαρτημάτων. Ξεκινώντας το 2014, έδειξαν ότι τα φωτονικά μεταϋλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτέλεση μαθηματικών πράξεων σε φωτεινά σήματα.

Έκτοτε έχουν επεκταθεί σε αυτήν την έρευνα. «Το 2019 εισαγάγαμε την ιδέα των μεταϋλικών που μπορούν να λύσουν εξισώσεις», λέει ο Engheta. «Στη συνέχεια, το 2021, επεκτείναμε αυτήν την ιδέα σε δομές που μπορούν να λύσουν περισσότερες από μία εξισώσεις ταυτόχρονα». Το 2023, η ομάδα ανέπτυξε μια νέα προσέγγιση για την κατασκευή εξαιρετικά λεπτών οπτικών μετατοποθετήσεων.

Ο Engheta και οι συνεργάτες του έχουν πλέον βάλει στόχο τον πολλαπλασιασμό διανυσμάτων-μήτρας, ο οποίος είναι μια ζωτική λειτουργία για τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα που χρησιμοποιούνται σε ορισμένα συστήματα τεχνητής νοημοσύνης. Η ομάδα δημιούργησε την πρώτη φωτονική νανοδομή ικανή να κάνει πολλαπλασιασμό διανύσματος-μήτρας. Το υλικό κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας μια πλατφόρμα φωτονικής πυριτίου (SiPh) που ενσωματώνει οπτικά στοιχεία σε ένα υπόστρωμα πυριτίου.

Αντίστροφη σχεδίαση

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επίσης μια διαδικασία αντίστροφου σχεδιασμού. Αντί να λαμβάνεται μια γνωστή νανοδομή και να προσδιορίζεται εάν έχει τις σωστές οπτικές ιδιότητες, η αντίστροφη σχεδίαση ξεκινά με ένα σύνολο επιθυμητών οπτικών ιδιοτήτων. Στη συνέχεια, μια φωτονική δομή είναι αντίστροφη μηχανική για να έχει αυτές τις ιδιότητες. Χρησιμοποιώντας αυτή την προσέγγιση, η ομάδα σχεδίασε ένα εξαιρετικά συμπαγές υλικό που είναι κατάλληλο για να κάνει πολλαπλασιασμούς διανυσμάτων-μήτρας με φως.

Ο διακόπτης πόλωσης κάνει εξαιρετικά γρήγορο φωτονικό υπολογιστή

«Συνδυάζοντας τη μέθοδο αντίστροφης σχεδίασης με την πλατφόρμα SiPh, θα μπορούσαμε να σχεδιάσουμε δομές με μεγέθη της τάξης των 10-30 micron, με πάχος πυριτίου που κυμαίνεται μεταξύ 150-220 nm», εξηγεί ο Engheta.

Η ομάδα λέει ότι η νέα της φωτονική πλατφόρμα μπορεί να κάνει πολλαπλασιασμό διανυσμάτων-μήτρας πολύ πιο αποτελεσματικά από τις υπάρχουσες τεχνολογίες. Η Engheta επισημαίνει επίσης ότι η πλατφόρμα είναι επίσης πιο ασφαλής από τα υπάρχοντα συστήματα. «Δεδομένου ότι αυτός ο υπολογισμός πολλαπλασιασμού διανυσμάτων-μήτρας γίνεται οπτικά και ταυτόχρονα, δεν χρειάζεται να αποθηκεύσετε τις πληροφορίες ενδιάμεσου σταδίου. Ως εκ τούτου, τα αποτελέσματα και οι διαδικασίες είναι λιγότερο ευάλωτα στο hacking».

Η ομάδα αναμένει ότι η προσέγγισή της θα έχει σημαντικές επιπτώσεις στον τρόπο με τον οποίο εφαρμόζεται η τεχνητή νοημοσύνη.

Η έρευνα περιγράφεται στο Nature Photonics.