Fotoninen metarakenne tekee vektori-matriisimullistuksen – Physics World

Uusi piin fotoninen alusta, joka pystyy tekemään matemaattisia operaatioita paljon tehokkaammin kuin aikaisemmat mallit, on julkistanut Nader Engheta ja kollegat Pennsylvanian yliopistosta. Yhdysvaltalainen tiimi toivoo, että sen järjestelmä nopeuttaa optisen laskennan kehitystä.

Analogiset optiset tietokoneet voivat tehdä tiettyjä laskelmia tehokkaammin kuin perinteiset digitaaliset tietokoneet. Ne toimivat koodaamalla tietoa valosignaaleiksi ja lähettämällä sitten signaalit optisten komponenttien kautta, jotka käsittelevät tietoa. Sovelluksia ovat optinen kuvantaminen, signaalinkäsittely ja yhtälöiden ratkaisu.

Jotkut näistä komponenteista voidaan valmistaa fotonisista metamateriaaleista, jotka sisältävät ryhmiä rakenteita, joiden koko on yhtä suuri tai pienempi kuin valon aallonpituus. Näiden rakenteiden kokoa ja jakautumista tarkasti ohjaamalla voidaan valmistaa erilaisia ​​tiedonkäsittelykomponentteja.

Toisin kuin suurikokoiset linssit ja suodattimet, joita käytettiin ensimmäisten analogisten optisten tietokoneiden luomiseen, fotonisiin metamateriaaleihin perustuvat laitteet ovat pienempiä ja helpompia integroida pieniin piireihin.

Matemaattiset toiminnot

Kuluneen vuosikymmenen aikana Enghetan tiimi on antanut useita tärkeitä panoksia tällaisten komponenttien kehittämiseen. Vuodesta 2014 alkaen he osoittivat, että fotonisten metamateriaalien avulla voidaan suorittaa matemaattisia operaatioita valosignaaleille.

He ovat sittemmin laajentaneet tätä tutkimusta. "Vuonna 2019 esittelimme idean metamateriaaleista, jotka voivat ratkaista yhtälöitä", Engheta sanoo. "Sitten vuonna 2021 laajensimme tämän idean rakenteisiin, jotka voivat ratkaista useamman yhtälön samanaikaisesti." Vuonna 2023 tiimi kehitti uuden lähestymistavan ultraohuiden optisten metahiilojen valmistukseen.

Engheta ja kollegat ovat nyt ottaneet huomionsa vektori-matriisikertomiseen, joka on elintärkeä toimenpide joissakin tekoälyjärjestelmissä käytettäville keinotekoisille hermoverkoille. Ryhmä on luonut ensimmäisen fotonisen nanorakenteen, joka pystyy suorittamaan vektori-matriisikertoja. Materiaali valmistettiin piifotoniikkaalustalla (SiPh), joka integroi optiset komponentit piisubstraatille.

Käänteinen muotoilu

Tutkijat käyttivät myös käänteistä suunnittelumenettelyä. Sen sijaan, että otettaisiin tunnettu nanorakenne ja määritettäisiin, onko sillä oikeat optiset ominaisuudet, käänteinen suunnittelu alkaa haluttujen optisten ominaisuuksien sarjalla. Sitten fotoninen rakenne käännetään niin, että sillä on nämä ominaisuudet. Tätä lähestymistapaa käyttämällä tiimi suunnitteli erittäin kompaktin materiaalin, joka soveltuu vektori-matriisikertomiseen valolla.

"Yhdistämällä käänteinen suunnittelumenetelmä SiPh-alustaan ​​voisimme suunnitella rakenteita, joiden koko on luokkaa 10-30 mikronia ja piin paksuus 150-220 nm", Engheta selittää.

Tiimi sanoo, että sen uusi fotoninen alusta pystyy suorittamaan vektori-matriisikertoja paljon tehokkaammin kuin nykyiset tekniikat. Engheta huomauttaa myös, että alusta on myös turvallisempi kuin olemassa olevat järjestelmät. ”Koska tämä vektori-matriisikertolasku tehdään optisesti ja samanaikaisesti, ei välivaiheen tietoja tarvitse tallentaa. Siksi tulokset ja prosessit ovat vähemmän haavoittuvia hakkerointiin."

Tiimi odottaa, että heidän lähestymistavalla on tärkeitä vaikutuksia tekoälyn toteuttamiseen.

Tutkimusta kuvataan Luonto Fotoniikka.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/photonic-metastructure-does-vector-matrix-multiplication/