Metastruktur Fotonik Melakukan Perkalian Vektor-matriks

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Inovasi fotonik: peneliti di AS telah menciptakan metamaterial optik yang dapat melakukan perkalian vektor-matriks. (Sumber: iStock/Henrik5000)

Platform fotonik silikon baru yang dapat melakukan operasi matematika jauh lebih efisien daripada desain sebelumnya telah diluncurkan oleh Nader Engheta dan rekan-rekannya di University of Pennsylvania. Tim yang berbasis di AS berharap sistemnya akan mempercepat kemajuan dalam komputasi optik.

Komputer optik analog dapat melakukan perhitungan tertentu dengan lebih efisien dibandingkan komputer digital konvensional. Mereka bekerja dengan menyandikan informasi menjadi sinyal cahaya dan kemudian mengirimkan sinyal melalui komponen optik yang memproses informasi tersebut. Aplikasinya meliputi pencitraan optik, pemrosesan sinyal, dan penyelesaian persamaan.

Beberapa komponen ini dapat dibuat dari metamaterial fotonik, yang berisi susunan struktur dengan ukuran yang setara, atau lebih kecil, dari panjang gelombang cahaya. Dengan mengontrol ukuran dan distribusi struktur ini secara hati-hati, berbagai komponen pemrosesan informasi dapat dibuat.

Berbeda dengan lensa dan filter besar yang digunakan untuk membuat komputer optik analog pertama, perangkat berdasarkan metamaterial fotonik lebih kecil dan lebih mudah diintegrasikan ke dalam sirkuit kompak.

Operasi matematika

Selama dekade terakhir, tim Engheta telah memberikan beberapa kontribusi penting terhadap pengembangan komponen tersebut. Mulai tahun 2014, mereka menunjukkan bahwa metamaterial fotonik dapat digunakan untuk melakukan operasi matematika pada sinyal cahaya.

Mereka kemudian memperluas penelitian ini. “Pada tahun 2019, kami memperkenalkan ide metamaterial yang dapat menyelesaikan persamaan,” kata Engheta. “Kemudian pada tahun 2021, kami memperluas ide ini ke struktur yang dapat menyelesaikan lebih dari satu persamaan pada saat yang bersamaan.” Pada tahun 2023, tim mengembangkan pendekatan baru untuk membuat metagrating optik ultra tipis.

Engheta dan rekannya kini memusatkan perhatian pada perkalian vektor-matriks, yang merupakan operasi penting untuk jaringan syaraf tiruan yang digunakan dalam beberapa sistem kecerdasan buatan. Tim ini telah menciptakan struktur nano fotonik pertama yang mampu melakukan perkalian vektor-matriks. Bahan tersebut dibuat menggunakan platform silikon fotonik (SiPh) yang mengintegrasikan komponen optik ke substrat silikon.

Desain terbalik

Para peneliti juga menggunakan prosedur desain terbalik. Daripada mengambil struktur nano yang diketahui dan menentukan apakah ia memiliki sifat optik yang benar, desain invers dimulai dengan serangkaian sifat optik yang diinginkan. Kemudian, struktur fotonik direkayasa ulang untuk mendapatkan sifat-sifat tersebut. Dengan menggunakan pendekatan ini, tim merancang material yang sangat kompak yang cocok untuk melakukan perkalian vektor-matriks dengan cahaya.

Saklar polarisasi membuat komputer fotonik ultracepat

“Dengan menggabungkan metode desain terbalik dengan platform SiPh, kami dapat merancang struktur dengan ukuran sekitar 10-30 mikron, dengan ketebalan silikon berkisar antara 150–220 nm,” jelas Engheta.

Tim tersebut mengatakan bahwa platform fotonik barunya dapat melakukan perkalian vektor-matriks jauh lebih efisien dibandingkan teknologi yang ada. Engheta juga menunjukkan bahwa platform ini juga lebih aman dibandingkan sistem yang ada. “Karena perhitungan perkalian vektor-matriks ini dilakukan secara optik dan simultan, seseorang tidak perlu menyimpan informasi tahap perantara. Oleh karena itu, hasil dan prosesnya tidak terlalu rentan terhadap peretasan.”

Tim mengantisipasi bahwa pendekatan mereka akan memiliki implikasi penting terhadap penerapan kecerdasan buatan.

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Nature Photonics.