Fotonische metastructuur doet vector-matrixvermenigvuldiging

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Fotonische innovatie: onderzoekers in de VS hebben een optisch metamateriaal gecreëerd dat vectormatrixvermenigvuldiging kan uitvoeren. (Met dank aan iStock/Henrik5000)

Er is een nieuw siliciumfotonicaplatform onthuld dat wiskundige bewerkingen veel efficiënter kan uitvoeren dan eerdere ontwerpen Nader Engheta en collega's van de Universiteit van Pennsylvania. Het in de VS gevestigde team hoopt dat zijn systeem de vooruitgang op het gebied van optisch computergebruik zal versnellen.

Analoge optische computers kunnen bepaalde berekeningen efficiënter uitvoeren dan conventionele digitale computers. Ze werken door informatie te coderen in lichtsignalen en de signalen vervolgens door optische componenten te sturen die de informatie verwerken. Toepassingen zijn onder meer optische beeldvorming, signaalverwerking en het oplossen van vergelijkingen.

Sommige van deze componenten kunnen worden gemaakt van fotonische metamaterialen, die reeksen structuren bevatten met afmetingen die gelijk zijn aan of kleiner zijn dan de golflengte van licht. Door de omvang en distributie van deze structuren zorgvuldig te controleren, kunnen verschillende informatieverwerkingscomponenten worden gemaakt.

In tegenstelling tot de omvangrijke lenzen en filters die werden gebruikt om de eerste analoge optische computers te maken, zijn apparaten op basis van fotonische metamaterialen kleiner en gemakkelijker te integreren in compacte circuits.

Wiskundige bewerkingen

De afgelopen tien jaar heeft het team van Engheta verschillende belangrijke bijdragen geleverd aan de ontwikkeling van dergelijke componenten. Vanaf 2014 lieten ze zien dat fotonische metamaterialen kunnen worden gebruikt om wiskundige bewerkingen op lichtsignalen uit te voeren.

Sindsdien hebben ze dit onderzoek uitgebreid. “In 2019 introduceerden we het idee van metamaterialen die vergelijkingen kunnen oplossen”, zegt Engheta. “In 2021 hebben we dit idee uitgebreid naar structuren die meer dan één vergelijking tegelijk kunnen oplossen.” In 2023 ontwikkelde het team een nieuwe aanpak voor het vervaardigen van ultradunne optische metagratings.

Engheta en collega's hebben nu hun zinnen gezet op vector-matrixvermenigvuldiging, wat een cruciale operatie is voor de kunstmatige neurale netwerken die in sommige kunstmatige intelligentiesystemen worden gebruikt. Het team heeft de eerste fotonische nanostructuur gecreëerd die vector-matrixvermenigvuldiging kan uitvoeren. Het materiaal is gemaakt met behulp van een siliciumfotonica (SiPh)-platform dat optische componenten op een siliciumsubstraat integreert.

Omgekeerd ontwerp

De onderzoekers gebruikten ook een omgekeerde ontwerpprocedure. In plaats van een bekende nanostructuur te nemen en te bepalen of deze de juiste optische eigenschappen heeft, begint invers ontwerp met een reeks gewenste optische eigenschappen. Vervolgens wordt een fotonische structuur reverse-engineered om deze eigenschappen te verkrijgen. Met behulp van deze aanpak ontwierp het team een zeer compact materiaal dat geschikt is voor vectormatrixvermenigvuldigingen met licht.

Polarisatieschakelaar maakt ultrasnelle fotonische computer

“Door de inverse ontwerpmethode te combineren met het SiPh-platform kunnen we structuren ontwerpen met afmetingen in de orde van 10-30 micron, met een siliciumdikte tussen 150 en 220 nm”, legt Engheta uit.

Het team zegt dat zijn nieuwe fotonische platform vector-matrixvermenigvuldiging veel efficiënter kan uitvoeren dan bestaande technologieën. Engheta wijst er ook op dat het platform bovendien veiliger is dan bestaande systemen. “Aangezien deze vectormatrixvermenigvuldigingsberekening optisch en gelijktijdig wordt uitgevoerd, hoeft men de tussenliggende informatie niet op te slaan. Daardoor zijn de resultaten en processen minder kwetsbaar voor hacking.”

Het team verwacht dat hun aanpak belangrijke implicaties zal hebben voor de manier waarop kunstmatige intelligentie wordt geïmplementeerd.

Het onderzoek is beschreven in Natuur Fotonica.