फोटोनिक मेटास्ट्रक्चर वेक्टर-मैट्रिक्स गुणन करता है

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फोटोनिक नवाचार: अमेरिका में शोधकर्ताओं ने एक ऑप्टिकल मेटामटेरियल बनाया है जो वेक्टर-मैट्रिक्स गुणन कर सकता है। (सौजन्य: आईस्टॉक/हेनरिक5000)

एक नए सिलिकॉन फोटोनिक्स प्लेटफ़ॉर्म का अनावरण किया गया है जो पिछले डिज़ाइनों की तुलना में गणितीय कार्यों को कहीं अधिक कुशलता से कर सकता है नादेर एंघेटा और पेंसिल्वेनिया विश्वविद्यालय के सहकर्मी। अमेरिका स्थित टीम को उम्मीद है कि उसका सिस्टम ऑप्टिकल कंप्यूटिंग में प्रगति को गति देगा।

एनालॉग ऑप्टिकल कंप्यूटर पारंपरिक डिजिटल कंप्यूटर की तुलना में कुछ गणनाएँ अधिक कुशलता से कर सकते हैं। वे सूचना को प्रकाश संकेतों में एन्कोड करके और फिर सूचना को संसाधित करने वाले ऑप्टिकल घटकों के माध्यम से संकेतों को भेजकर काम करते हैं। अनुप्रयोगों में ऑप्टिकल इमेजिंग, सिग्नल प्रोसेसिंग और समीकरण समाधान शामिल हैं।

इनमें से कुछ घटकों को फोटोनिक मेटामटेरियल्स से बनाया जा सकता है, जिसमें प्रकाश की तरंग दैर्ध्य की तुलना में बराबर या छोटे आकार वाली संरचनाओं की सारणी होती है। इन संरचनाओं के आकार और वितरण को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, विभिन्न सूचना-प्रसंस्करण घटक बनाए जा सकते हैं।

पहले एनालॉग ऑप्टिकल कंप्यूटर बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले भारी लेंस और फिल्टर के विपरीत, फोटोनिक मेटामटेरियल्स पर आधारित उपकरण छोटे होते हैं और कॉम्पैक्ट सर्किट में एकीकृत करना आसान होता है।

गणितीय संचालन

पिछले दशक में, एन्घेटा की टीम ने ऐसे घटकों के विकास में कई महत्वपूर्ण योगदान दिए हैं। 2014 से शुरू करके, उन्होंने दिखाया कि प्रकाश संकेतों पर गणितीय संचालन करने के लिए फोटोनिक मेटामटेरियल्स का उपयोग किया जा सकता है।

तब से उन्होंने इस शोध पर विस्तार किया है। एंघेटा कहते हैं, "2019 में, हमने मेटामटेरियल्स का विचार पेश किया जो समीकरणों को हल कर सकता है।" "फिर 2021 में, हमने इस विचार को उन संरचनाओं तक बढ़ाया जो एक ही समय में एक से अधिक समीकरणों को हल कर सकते हैं।" 2023 में, टीम ने अल्ट्राथिन ऑप्टिकल मेटाग्रेटिंग के निर्माण के लिए एक नया दृष्टिकोण विकसित किया।

एंघेटा और सहकर्मियों ने अब वेक्टर-मैट्रिक्स गुणन पर अपना ध्यान केंद्रित किया है, जो कुछ कृत्रिम बुद्धिमत्ता प्रणालियों में उपयोग किए जाने वाले कृत्रिम तंत्रिका नेटवर्क के लिए एक महत्वपूर्ण ऑपरेशन है। टीम ने वेक्टर-मैट्रिक्स गुणन करने में सक्षम पहला फोटोनिक नैनोस्ट्रक्चर बनाया है। सामग्री एक सिलिकॉन फोटोनिक्स (SiPh) प्लेटफ़ॉर्म का उपयोग करके बनाई गई थी जो ऑप्टिकल घटकों को एक सिलिकॉन सब्सट्रेट पर एकीकृत करती है।

उलटा डिज़ाइन

शोधकर्ताओं ने एक उलटा डिज़ाइन प्रक्रिया का भी उपयोग किया। किसी ज्ञात नैनोस्ट्रक्चर को लेने और यह निर्धारित करने के बजाय कि इसमें सही ऑप्टिकल गुण हैं या नहीं, उलटा डिज़ाइन वांछित ऑप्टिकल गुणों के एक सेट के साथ शुरू होता है। फिर, उन गुणों को प्राप्त करने के लिए एक फोटोनिक संरचना को रिवर्स-इंजीनियर किया जाता है। इस दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए, टीम ने एक अत्यधिक कॉम्पैक्ट सामग्री डिज़ाइन की जो प्रकाश के साथ वेक्टर-मैट्रिक्स गुणन करने के लिए उपयुक्त है।

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एंघेटा बताते हैं, "SiPh प्लेटफॉर्म के साथ व्युत्क्रम डिजाइन विधि को जोड़कर, हम 10-30 माइक्रोन के आकार के साथ संरचनाओं को डिजाइन कर सकते हैं, जिसमें सिलिकॉन की मोटाई 150-220 एनएम के बीच होती है।"

टीम का कहना है कि इसका नया फोटोनिक प्लेटफॉर्म मौजूदा तकनीकों की तुलना में वेक्टर-मैट्रिक्स गुणन कहीं अधिक कुशलता से कर सकता है। एन्घेटा यह भी बताते हैं कि प्लेटफ़ॉर्म मौजूदा सिस्टम की तुलना में अधिक सुरक्षित भी है। “चूंकि यह वेक्टर-मैट्रिक्स गुणन गणना वैकल्पिक रूप से और एक साथ की जाती है, इसलिए किसी को मध्यवर्ती-चरण की जानकारी संग्रहीत करने की आवश्यकता नहीं होती है। इसलिए, परिणाम और प्रक्रियाएं हैकिंग के प्रति कम संवेदनशील होती हैं।”

टीम का अनुमान है कि कृत्रिम बुद्धिमत्ता को कैसे लागू किया जाता है, इस पर उनके दृष्टिकोण का महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ेगा।

में अनुसंधान वर्णित है नेचर फोटोनिक्स.