Fotonisk metastruktur gjør vektor–matrisemultiplikasjon

Publisert av Platon

Følgere: 0

Fotonisk innovasjon: forskere i USA har laget et optisk metamateriale som kan utføre vektor-matrise multiplikasjon. (Med tillatelse: iStock/Henrik5000)

En ny silisiumfotonikplattform som kan utføre matematiske operasjoner langt mer effektivt enn tidligere design har blitt avduket av Nader Engheta og kolleger ved University of Pennsylvania. Det USA-baserte teamet håper at systemet deres vil akselerere fremgangen innen optisk databehandling.

Analoge optiske datamaskiner kan gjøre visse beregninger mer effektivt enn konvensjonelle digitale datamaskiner. De fungerer ved å kode informasjon til lyssignaler og deretter sende signalene gjennom optiske komponenter som behandler informasjonen. Applikasjoner inkluderer optisk bildebehandling, signalbehandling og ligningsløsning.

Noen av disse komponentene kan være laget av fotoniske metamaterialer, som inneholder rekker av strukturer med størrelser som er på nivå med eller mindre enn lysets bølgelengde. Ved nøye å kontrollere størrelsen og distribusjonen av disse strukturene, kan ulike informasjonsbehandlingskomponenter lages.

I motsetning til de klumpete linsene og filtrene som ble brukt til å lage de første analoge optiske datamaskinene, er enheter basert på fotoniske metamaterialer mindre og lettere å integrere i kompakte kretser.

Matematiske operasjoner

I løpet av det siste tiåret har Enghetas team gitt flere viktige bidrag til utviklingen av slike komponenter. Fra og med 2014 viste de at fotoniske metamaterialer kan brukes til å utføre matematiske operasjoner på lyssignaler.

De har siden utvidet denne forskningen. "I 2019 introduserte vi ideen om metamaterialer som kan løse ligninger," sier Engheta. "Så i 2021 utvidet vi denne ideen til strukturer som kan løse mer enn én ligning samtidig." I 2023 utviklet teamet en ny tilnærming for fremstilling av ultratynne optiske metagrateringer.

Engheta og kolleger har nå rettet blikket mot vektor-matrisemultiplikasjon, som er en viktig operasjon for de kunstige nevrale nettverkene som brukes i noen kunstig intelligenssystemer. Teamet har laget den første fotoniske nanostrukturen som er i stand til å utføre vektor-matrise multiplikasjon. Materialet ble laget ved hjelp av en silisiumfotonik-plattform (SiPh) som integrerer optiske komponenter på et silisiumsubstrat.

Omvendt design

Forskerne brukte også en invers designprosedyre. I stedet for å ta en kjent nanostruktur og avgjøre om den har de riktige optiske egenskapene, begynner invers design med et sett med ønskede optiske egenskaper. Deretter blir en fotonisk struktur omvendt konstruert for å ha disse egenskapene. Ved å bruke denne tilnærmingen designet teamet et svært kompakt materiale som er egnet til å gjøre vektormatrisemultiplikasjoner med lys.

Polarisasjonsbryteren gjør ultrarask fotonisk datamaskin

"Ved å kombinere den inverse designmetoden med SiPh-plattformen, kunne vi designe strukturer med størrelser i størrelsesorden 10-30 mikron, med en silisiumtykkelse som varierer mellom 150-220 nm," forklarer Engheta.

Teamet sier at den nye fotoniske plattformen kan gjøre vektor-matrise-multiplikasjon langt mer effektivt enn eksisterende teknologier. Engheta påpeker også at plattformen også er sikrere enn eksisterende systemer. "Siden denne vektormatrisemultiplikasjonsberegningen gjøres optisk og samtidig, trenger man ikke å lagre mellomtrinnsinformasjonen. Derfor er resultatene og prosessene mindre sårbare for hacking.»

Teamet forventer at deres tilnærming vil ha viktige implikasjoner for hvordan kunstig intelligens implementeres.

Forskningen er beskrevet i Nature Photonics.