Metastruktura fotoniczna dokonuje mnożenia wektora i macierzy – Świat Fizyki

Zaprezentowano nową platformę fotoniki krzemowej, która może wykonywać operacje matematyczne znacznie wydajniej niż poprzednie konstrukcje Nadera Enghety i współpracownicy z Uniwersytetu w Pensylwanii. Zespół z USA ma nadzieję, że jego system przyspieszy postęp w obliczeniach optycznych.

Analogowe komputery optyczne mogą wykonywać pewne obliczenia wydajniej niż konwencjonalne komputery cyfrowe. Działają poprzez kodowanie informacji w sygnały świetlne, a następnie wysyłanie sygnałów przez elementy optyczne, które przetwarzają informacje. Zastosowania obejmują obrazowanie optyczne, przetwarzanie sygnałów i rozwiązywanie równań.

Niektóre z tych elementów mogą być wykonane z metamateriałów fotonicznych, które zawierają układy struktur o rozmiarach równych lub mniejszych niż długość fali światła. Uważnie kontrolując rozmiar i rozmieszczenie tych struktur, można wykonać różne elementy przetwarzania informacji.

W przeciwieństwie do nieporęcznych soczewek i filtrów, które wykorzystano do stworzenia pierwszych analogowych komputerów optycznych, urządzenia oparte na metamateriałach fotonicznych są mniejsze i łatwiejsze do zintegrowania z kompaktowymi obwodami.

Operacje matematyczne

W ciągu ostatniej dekady zespół Enghety wniósł kilka ważnych wkładów w rozwój takich komponentów. Począwszy od 2014 r. wykazali, że metamateriały fotoniczne można wykorzystać do wykonywania operacji matematycznych na sygnałach świetlnych.

Od tego czasu rozszerzyli te badania. „W 2019 roku wprowadziliśmy koncepcję metamateriałów, które mogą rozwiązywać równania” – mówi Engheta. „Następnie w 2021 roku rozszerzyliśmy ten pomysł na struktury, które mogą rozwiązać więcej niż jedno równanie jednocześnie”. W 2023 r. zespół opracował nowe podejście do wytwarzania ultracienkich metakratów optycznych.

Engheta i współpracownicy skupili się obecnie na mnożeniu wektorów i macierzy, co jest operacją niezbędną dla sztucznych sieci neuronowych wykorzystywanych w niektórych systemach sztucznej inteligencji. Zespół stworzył pierwszą nanostrukturę fotoniczną zdolną do wykonywania mnożenia wektor-macierz. Materiał wytworzono przy użyciu platformy fotoniki krzemowej (SiPh), która integruje elementy optyczne z podłożem krzemowym.

Odwrotny projekt

Naukowcy zastosowali także odwrotną procedurę projektowania. Zamiast brać znaną nanostrukturę i określać, czy ma ona prawidłowe właściwości optyczne, projektowanie odwrotne rozpoczyna się od zestawu pożądanych właściwości optycznych. Następnie struktura fotoniczna jest poddawana inżynierii wstecznej, aby uzyskać te właściwości. Korzystając z tego podejścia, zespół zaprojektował bardzo zwarty materiał, który nadaje się do wykonywania mnożeń wektorów i macierzy za pomocą światła.

„Łącząc odwrotną metodę projektowania z platformą SiPh, moglibyśmy projektować struktury o rozmiarach rzędu 10–30 mikronów i grubości krzemu w zakresie 150–220 nm” – wyjaśnia Engheta.

Zespół twierdzi, że jego nowa platforma fotoniczna może wykonywać mnożenie wektorów i macierzy znacznie wydajniej niż istniejące technologie. Engheta zwraca również uwagę, że platforma jest również bezpieczniejsza niż istniejące systemy. „Ponieważ obliczenia mnożenia wektora-macierzy wykonywane są optycznie i jednocześnie, nie ma potrzeby przechowywania informacji z etapu pośredniego. Dlatego wyniki i procesy są mniej podatne na ataki hakerskie.”

Zespół przewiduje, że ich podejście będzie miało istotne implikacje dla sposobu wdrażania sztucznej inteligencji.

Badania opisano w Nature Photonics.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/photonic-metastructure-does-vector-matrix-multiplication/