La metastruttura fotonica esegue la moltiplicazione di matrici vettoriali

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Innovazione fotonica: ricercatori negli Stati Uniti hanno creato un metamateriale ottico in grado di eseguire la moltiplicazione di matrice vettoriale. (Per gentile concessione: iStock/Henrik5000)

È stata svelata una nuova piattaforma fotonica del silicio in grado di eseguire operazioni matematiche in modo molto più efficiente rispetto ai progetti precedenti Nader Engheta e colleghi dell'Università della Pennsylvania. Il team con sede negli Stati Uniti spera che il suo sistema accelererà i progressi nel calcolo ottico.

I computer ottici analogici possono eseguire determinati calcoli in modo più efficiente rispetto ai computer digitali convenzionali. Funzionano codificando le informazioni in segnali luminosi e quindi inviando i segnali attraverso componenti ottici che elaborano le informazioni. Le applicazioni includono imaging ottico, elaborazione del segnale e risoluzione di equazioni.

Alcuni di questi componenti possono essere realizzati con metamateriali fotonici, che contengono schiere di strutture con dimensioni pari o inferiori alla lunghezza d'onda della luce. Controllando attentamente la dimensione e la distribuzione di queste strutture, è possibile realizzare vari componenti di elaborazione delle informazioni.

A differenza delle lenti e dei filtri ingombranti utilizzati per creare i primi computer ottici analogici, i dispositivi basati su metamateriali fotonici sono più piccoli e più facili da integrare in circuiti compatti.

Operazioni matematiche

Negli ultimi dieci anni, il team di Engheta ha apportato numerosi e importanti contributi allo sviluppo di tali componenti. A partire dal 2014 hanno dimostrato che i metamateriali fotonici possono essere utilizzati per eseguire operazioni matematiche sui segnali luminosi.

Da allora hanno ampliato questa ricerca. “Nel 2019 abbiamo introdotto l’idea dei metamateriali in grado di risolvere equazioni”, afferma Engheta. “Poi, nel 2021, abbiamo esteso questa idea a strutture in grado di risolvere più di un’equazione contemporaneamente”. Nel 2023, il team ha sviluppato un nuovo approccio per la fabbricazione di metagrati ottici ultrasottili.

Engheta e colleghi hanno ora messo gli occhi sulla moltiplicazione di matrici vettoriali, che è un’operazione vitale per le reti neurali artificiali utilizzate in alcuni sistemi di intelligenza artificiale. Il team ha creato la prima nanostruttura fotonica in grado di effettuare la moltiplicazione vettore-matrice. Il materiale è stato realizzato utilizzando una piattaforma fotonica del silicio (SiPh) che integra componenti ottici su un substrato di silicio.

Progettazione inversa

I ricercatori hanno utilizzato anche una procedura di progettazione inversa. Invece di prendere una nanostruttura nota e determinare se ha le proprietà ottiche corrette, la progettazione inversa inizia con una serie di proprietà ottiche desiderate. Quindi, una struttura fotonica viene decodificata per avere quelle proprietà. Utilizzando questo approccio, il team ha progettato un materiale altamente compatto adatto a eseguire moltiplicazioni di matrici vettoriali con la luce.

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“Combinando il metodo di progettazione inversa con la piattaforma SiPh, potremmo progettare strutture con dimensioni dell’ordine di 10-30 micron, con uno spessore di silicio compreso tra 150 e 220 nm”, spiega Engheta.

Il team afferma che la sua nuova piattaforma fotonica può eseguire la moltiplicazione di matrici vettoriali in modo molto più efficiente rispetto alle tecnologie esistenti. Engheta sottolinea inoltre che la piattaforma è anche più sicura dei sistemi esistenti. “Poiché il calcolo della moltiplicazione della matrice vettoriale viene eseguito otticamente e simultaneamente, non è necessario memorizzare le informazioni della fase intermedia. Pertanto, i risultati e i processi sono meno vulnerabili agli attacchi hacker”.

Il team prevede che il loro approccio avrà importanti implicazioni sul modo in cui verrà implementata l’intelligenza artificiale.

La ricerca è descritta in Nature Photonics.