La metaestructura fotónica realiza la multiplicación de vectores y matrices

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Innovación fotónica: investigadores de EE. UU. han creado un metamaterial óptico que puede realizar la multiplicación de vectores y matrices. (Cortesía: iStock/Henrik5000)

Una nueva plataforma de fotónica de silicio que puede realizar operaciones matemáticas de manera mucho más eficiente que los diseños anteriores ha sido presentada por Nader Engheta y colegas de la Universidad de Pensilvania. El equipo con sede en Estados Unidos espera que su sistema acelere el progreso en la computación óptica.

Las computadoras ópticas analógicas pueden realizar ciertos cálculos de manera más eficiente que las computadoras digitales convencionales. Funcionan codificando información en señales luminosas y luego enviando las señales a través de componentes ópticos que procesan la información. Las aplicaciones incluyen imágenes ópticas, procesamiento de señales y resolución de ecuaciones.

Algunos de estos componentes pueden fabricarse a partir de metamateriales fotónicos, que contienen conjuntos de estructuras con tamaños iguales o menores que la longitud de onda de la luz. Controlando cuidadosamente el tamaño y la distribución de estas estructuras, se pueden crear varios componentes de procesamiento de información.

A diferencia de las voluminosas lentes y filtros que se utilizaron para crear las primeras computadoras ópticas analógicas, los dispositivos basados en metamateriales fotónicos son más pequeños y más fáciles de integrar en circuitos compactos.

Operaciones matemáticas

Durante la última década, el equipo de Engheta ha realizado varias contribuciones importantes al desarrollo de dichos componentes. A partir de 2014, demostraron que los metamateriales fotónicos se pueden utilizar para realizar operaciones matemáticas con señales luminosas.

Desde entonces han ampliado esta investigación. "En 2019, introdujimos la idea de metamateriales que pueden resolver ecuaciones", dice Engheta. "Luego, en 2021, ampliamos esta idea a estructuras que pueden resolver más de una ecuación al mismo tiempo". En 2023, el equipo desarrolló un nuevo enfoque para fabricar metarrejillas ópticas ultrafinas.

Engheta y sus colegas ahora han puesto su mirada en la multiplicación de matrices vectoriales, que es una operación vital para las redes neuronales artificiales utilizadas en algunos sistemas de inteligencia artificial. El equipo ha creado la primera nanoestructura fotónica capaz de realizar la multiplicación de vectores y matrices. El material se fabricó utilizando una plataforma fotónica de silicio (SiPh) que integra componentes ópticos en un sustrato de silicio.

Diseño inverso

Los investigadores también utilizaron un procedimiento de diseño inverso. En lugar de tomar una nanoestructura conocida y determinar si tiene las propiedades ópticas correctas, el diseño inverso comienza con un conjunto de propiedades ópticas deseadas. Luego, se aplica ingeniería inversa a una estructura fotónica para que tenga esas propiedades. Utilizando este enfoque, el equipo diseñó un material muy compacto adecuado para realizar multiplicaciones de matrices vectoriales con luz.

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"Al combinar el método de diseño inverso con la plataforma SiPh, podríamos diseñar estructuras con tamaños del orden de 10 a 30 micrones, con un espesor de silicio que oscila entre 150 y 220 nm", explica Engheta.

El equipo dice que su nueva plataforma fotónica puede realizar la multiplicación de matrices vectoriales de manera mucho más eficiente que las tecnologías existentes. Engheta también señala que la plataforma también es más segura que los sistemas existentes. “Dado que este cálculo de multiplicación de matriz vectorial se realiza de forma óptica y simultánea, no es necesario almacenar la información de la etapa intermedia. Por tanto, los resultados y procesos son menos vulnerables al hackeo”.

El equipo anticipa que su enfoque tendrá implicaciones importantes sobre cómo se implementa la inteligencia artificial.

La investigación se describe en Nature Photonics.