Fotooniline metastruktuur teeb vektor-maatriksi korrutamist – füüsikamaailm

Avaldati uus ränifotoonikaplatvorm, mis suudab teha matemaatilisi toiminguid palju tõhusamalt kui varasemad kujundused. Nader Engheta ja kolleegid Pennsylvania ülikoolist. USA-s asuv meeskond loodab, et selle süsteem kiirendab optilise andmetöötluse arengut.

Analoog-optilised arvutid suudavad teatud arvutusi teha tõhusamalt kui tavalised digitaalarvutid. Nad töötavad teabe kodeerimisel valgussignaalideks ja seejärel signaalide saatmisel läbi teavet töötlevate optiliste komponentide. Rakendused hõlmavad optilist kujutist, signaalitöötlust ja võrrandite lahendamist.

Mõned neist komponentidest võivad olla valmistatud fotoonilistest metamaterjalidest, mis sisaldavad struktuuride massiive, mille suurus on samaväärne või väiksem kui valguse lainepikkus. Nende struktuuride suurust ja jaotust hoolikalt kontrollides saab valmistada erinevaid infotöötluskomponente.

Erinevalt mahukatest läätsedest ja filtritest, mida kasutati esimeste analoogoptiliste arvutite loomisel, on fotoonilistel metamaterjalidel põhinevad seadmed väiksemad ja neid on lihtsam kompaktsetesse vooluringidesse integreerida.

Matemaatilised operatsioonid

Viimase kümnendi jooksul on Engheta meeskond andnud mitme olulise panuse selliste komponentide arendamisse. Alates 2014. aastast näitasid nad, et fotooniliste metamaterjalide abil saab teha valgussignaalidega matemaatilisi toiminguid.

Pärast seda on nad seda uurimistööd laiendanud. "2019. aastal tutvustasime metamaterjalide ideed, mis suudavad võrrandeid lahendada, " ütleb Engheta. "Siis aastal 2021 laiendasime seda ideed struktuuridele, mis suudavad korraga lahendada rohkem kui ühe võrrandi." 2023. aastal töötas meeskond välja uue lähenemisviisi üliõhukeste optiliste metavõrede valmistamiseks.

Engheta ja tema kolleegid on nüüd seadnud oma sihiks vektori-maatriksi korrutamine, mis on mõnes tehisintellektisüsteemis kasutatavate tehisnärvivõrkude jaoks ülitähtis toiming. Meeskond on loonud esimese fotoonilise nanostruktuuri, mis suudab teha vektor-maatriksi korrutamist. Materjal valmistati ränifotoonika (SiPh) platvormi abil, mis integreerib optilised komponendid ränisubstraadile.

Vastupidine disain

Teadlased kasutasid ka pöördprojekteerimise protseduuri. Selle asemel, et võtta teada nanostruktuur ja teha kindlaks, kas sellel on õiged optilised omadused, algab pöördprojekteerimine soovitud optiliste omaduste komplektiga. Seejärel pöördprojekteeritakse fotooniline struktuur nende omaduste saamiseks. Seda lähenemisviisi kasutades kujundas meeskond väga kompaktse materjali, mis sobib vektormaatriksi korrutamiseks valgusega.

"Kombineerides pöördprojekteerimise meetodi SiPh platvormiga, saaksime kujundada struktuure suurusega 10-30 mikronit, räni paksusega 150-220 nm," selgitab Engheta.

Meeskond ütleb, et selle uus fotooniline platvorm suudab vektor-maatriksi korrutamist palju tõhusamalt teha kui olemasolevad tehnoloogiad. Samuti toob Engheta välja, et platvorm on ka turvalisem kui olemasolevad süsteemid. "Kuna see vektormaatriksi korrutusarvutus toimub optiliselt ja samaaegselt, ei ole vaja vahepealset teavet salvestada. Seetõttu on tulemused ja protsessid häkkimise suhtes vähem haavatavad.

Meeskond eeldab, et nende lähenemisviisil on oluline mõju tehisintellekti rakendamisele.

Uuringut kirjeldatakse artiklis Looduse fotoonika.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/photonic-metastructure-does-vector-matrix-multiplication/