La métastructure photonique effectue la multiplication vecteur-matrice – Physics World

Une nouvelle plate-forme photonique sur silicium capable d'effectuer des opérations mathématiques beaucoup plus efficacement que les conceptions précédentes a été dévoilée par Nader Engheta et collègues de l'Université de Pennsylvanie. L'équipe basée aux États-Unis espère que son système accélérera les progrès de l'informatique optique.

Les ordinateurs optiques analogiques peuvent effectuer certains calculs plus efficacement que les ordinateurs numériques conventionnels. Ils fonctionnent en codant les informations en signaux lumineux, puis en envoyant les signaux via des composants optiques qui traitent les informations. Les applications incluent l'imagerie optique, le traitement du signal et la résolution d'équations.

Certains de ces composants peuvent être fabriqués à partir de métamatériaux photoniques, qui contiennent des réseaux de structures dont les tailles sont égales ou inférieures à la longueur d'onde de la lumière. En contrôlant soigneusement la taille et la répartition de ces structures, divers composants de traitement de l'information peuvent être réalisés.

Contrairement aux lentilles et filtres volumineux utilisés pour créer les premiers ordinateurs optiques analogiques, les dispositifs basés sur des métamatériaux photoniques sont plus petits et plus faciles à intégrer dans des circuits compacts.

Opérations mathématiques

Au cours de la dernière décennie, l'équipe d'Engheta a apporté plusieurs contributions importantes au développement de tels composants. Dès 2014, ils ont montré que les métamatériaux photoniques pouvaient être utilisés pour réaliser des opérations mathématiques sur des signaux lumineux.

Depuis, ils ont approfondi cette recherche. "En 2019, nous avons introduit l'idée de métamatériaux capables de résoudre des équations", explique Engheta. "Puis en 2021, nous avons étendu cette idée à des structures capables de résoudre plus d'une équation en même temps." En 2023, l’équipe a développé une nouvelle approche pour fabriquer des métaréseaux optiques ultrafins.

Engheta et ses collègues se tournent désormais vers la multiplication vecteur-matrice, qui est une opération vitale pour les réseaux de neurones artificiels utilisés dans certains systèmes d'intelligence artificielle. L’équipe a créé la première nanostructure photonique capable d’effectuer une multiplication vecteur-matrice. Le matériau a été fabriqué à l’aide d’une plate-forme photonique sur silicium (SiPh) qui intègre des composants optiques sur un substrat de silicium.

Conception inversée

Les chercheurs ont également utilisé une procédure de conception inverse. Au lieu de prendre une nanostructure connue et de déterminer si elle possède les propriétés optiques correctes, la conception inverse commence par un ensemble de propriétés optiques souhaitées. Ensuite, une structure photonique fait l’objet d’une ingénierie inverse pour avoir ces propriétés. En utilisant cette approche, l’équipe a conçu un matériau très compact, adapté à la réalisation de multiplications vectorielles-matrices avec la lumière.

"En combinant la méthode de conception inverse avec la plateforme SiPh, nous pourrions concevoir des structures avec des tailles de l'ordre de 10 à 30 microns, avec une épaisseur de silicium comprise entre 150 et 220 nm", explique Engheta.

L’équipe affirme que sa nouvelle plate-forme photonique peut effectuer une multiplication vecteur-matrice beaucoup plus efficacement que les technologies existantes. Engheta souligne également que la plateforme est également plus sécurisée que les systèmes existants. « Puisque ce calcul de multiplication vecteur-matrice est effectué optiquement et simultanément, il n’est pas nécessaire de stocker les informations de l’étape intermédiaire. Par conséquent, les résultats et les processus sont moins vulnérables au piratage.

L’équipe prévoit que leur approche aura des implications importantes sur la manière dont l’intelligence artificielle est mise en œuvre.

La recherche est décrite dans Nature Photonics.

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• La source: https://physicsworld.com/a/photonic-metastructure-does-vector-matrix-multiplication/