A fotonikus metastruktúra vektor-mátrix szorzást végez

Újra kiadta Platón

Követő: 0

Fotonikus innováció: az Egyesült Államok kutatói olyan optikai metaanyagot hoztak létre, amely vektor-mátrix szorzást végezhet. (jóvoltából: iStock/Henrik5000)

Egy új szilícium fotonikai platformot mutatott be, amely sokkal hatékonyabban képes matematikai műveleteket végezni, mint a korábbi tervek. Nader Engheta és kollégái a Pennsylvaniai Egyetemen. Az amerikai székhelyű csapat reméli, hogy rendszere felgyorsítja az optikai számítástechnika fejlődését.

Az analóg optikai számítógépek bizonyos számításokat hatékonyabban tudnak elvégezni, mint a hagyományos digitális számítógépek. Úgy működnek, hogy az információt fényjelekké kódolják, majd a jeleket az információt feldolgozó optikai komponenseken keresztül küldik el. Az alkalmazások közé tartozik az optikai képalkotás, a jelfeldolgozás és az egyenletmegoldás.

Ezen komponensek egy része fotonikus metaanyagokból készülhet, amelyek olyan struktúrák tömbjeit tartalmazzák, amelyek mérete megegyezik a fény hullámhosszával, vagy annál kisebb. Ezen struktúrák méretének és eloszlásának gondos ellenőrzésével különféle információfeldolgozó komponensek készíthetők.

Az első analóg optikai számítógépek létrehozásához használt terjedelmes lencsékkel és szűrőkkel ellentétben a fotonikus metaanyagokon alapuló eszközök kisebbek és könnyebben integrálhatók kompakt áramkörökbe.

Matematikai műveletek

Az elmúlt évtizedben az Engheta csapata számos fontos hozzájárulást tett az ilyen komponensek fejlesztéséhez. 2014-től kezdődően megmutatták, hogy a fotonikus metaanyagok segítségével matematikai műveleteket lehet végezni fényjeleken.

Azóta kiterjesztették ezt a kutatást. „2019-ben bevezettük a metaanyagok ötletét, amelyek képesek egyenleteket megoldani” – mondja Engheta. „Aztán 2021-ben kiterjesztettük ezt az ötletet olyan struktúrákra, amelyek egyszerre több egyenletet is képesek megoldani.” 2023-ban a csapat új megközelítést dolgozott ki az ultravékony optikai metarácsok gyártására.

Engheta és munkatársai most a vektor-mátrix szorzást tűzték ki célul, ami létfontosságú művelet az egyes mesterséges intelligencia-rendszerekben használt mesterséges neurális hálózatok számára. A csapat létrehozta az első fotonikus nanostruktúrát, amely képes vektor-mátrix szorzásra. Az anyagot szilícium fotonika (SiPh) platform segítségével készítették, amely optikai komponenseket integrál egy szilícium hordozóra.

Inverz kialakítás

A kutatók fordított tervezési eljárást is alkalmaztak. Ahelyett, hogy egy ismert nanoszerkezetet vennénk fel, és meghatároznánk, hogy megfelelő-e az optikai tulajdonságai, az inverz tervezés a kívánt optikai tulajdonságok halmazával kezdődik. Ezután egy fotonikus szerkezetet visszafejtenek, hogy rendelkezzen ezekkel a tulajdonságokkal. Ezzel a megközelítéssel a csapat egy rendkívül kompakt anyagot tervezett, amely alkalmas vektor-mátrix szorzásokra fénnyel.

A polarizációs kapcsoló ultragyors fotonikus számítógépet készít

„Az inverz tervezési módszer és a SiPh platform kombinálásával 10-30 mikronos nagyságrendű szerkezeteket tervezhetünk, 150-220 nm közötti szilíciumvastagsággal” – magyarázza Engheta.

A csapat szerint az új fotonikus platform sokkal hatékonyabban képes vektor-mátrix szorzást végezni, mint a meglévő technológiák. Az Engheta arra is rámutat, hogy a platform biztonságosabb is, mint a meglévő rendszerek. „Mivel ez a vektor-mátrix szorzás számítása optikailag és egyidejűleg történik, nem kell tárolni a közbenső szakaszban lévő információkat. Ezért az eredmények és a folyamatok kevésbé érzékenyek a hackelésre.”

A csapat arra számít, hogy megközelítésük fontos hatással lesz a mesterséges intelligencia megvalósítására.

A kutatás leírása a Nature fotonika.