Metaestrutura fotônica faz multiplicação vetor-matriz – Physics World

Metaestrutura fotônica faz multiplicação vetor-matriz – Physics World

Carimbo de hora: 11 de março de 2024 10h03


Inovação fotônica
Inovação fotônica: pesquisadores nos EUA criaram um metamaterial óptico que pode realizar multiplicação vetor-matriz. (Cortesia: iStock/Henrik5000)

Uma nova plataforma fotônica de silício que pode realizar operações matemáticas com muito mais eficiência do que os projetos anteriores foi revelada por Nader Engheta e colegas da Universidade da Pensilvânia. A equipe sediada nos EUA espera que seu sistema acelere o progresso na computação óptica.

Os computadores ópticos analógicos podem fazer certos cálculos com mais eficiência do que os computadores digitais convencionais. Eles funcionam codificando informações em sinais de luz e depois enviando os sinais através de componentes ópticos que processam as informações. As aplicações incluem imagens ópticas, processamento de sinais e resolução de equações.

Alguns desses componentes podem ser feitos de metamateriais fotônicos, que contêm conjuntos de estruturas com tamanhos iguais ou menores que o comprimento de onda da luz. Controlando cuidadosamente o tamanho e a distribuição dessas estruturas, vários componentes de processamento de informações podem ser criados.

Ao contrário das lentes e filtros volumosos que foram usados ​​para criar os primeiros computadores ópticos analógicos, os dispositivos baseados em metamateriais fotônicos são menores e mais fáceis de integrar em circuitos compactos.

Operações matemáticas

Na última década, a equipe da Engheta fez diversas contribuições importantes para o desenvolvimento de tais componentes. A partir de 2014, eles mostraram que metamateriais fotônicos podem ser usados ​​para realizar operações matemáticas em sinais de luz.

Desde então, eles expandiram esta pesquisa. “Em 2019, apresentamos a ideia de metamateriais que podem resolver equações”, diz Engheta. “Então, em 2021, estendemos essa ideia para estruturas que podem resolver mais de uma equação ao mesmo tempo.” Em 2023, a equipe desenvolveu uma nova abordagem para a fabricação de metagrades ópticas ultrafinas.

Engheta e colegas agora estão de olho na multiplicação de vetores-matrizes, que é uma operação vital para as redes neurais artificiais usadas em alguns sistemas de inteligência artificial. A equipe criou a primeira nanoestrutura fotônica capaz de fazer multiplicação vetor-matriz. O material foi feito usando uma plataforma fotônica de silício (SiPh) que integra componentes ópticos em um substrato de silício.

Design inverso

Os pesquisadores também usaram um procedimento de design inverso. Em vez de pegar uma nanoestrutura conhecida e determinar se ela possui as propriedades ópticas corretas, o projeto inverso começa com um conjunto de propriedades ópticas desejadas. Então, uma estrutura fotônica passa por engenharia reversa para ter essas propriedades. Usando esta abordagem, a equipe projetou um material altamente compacto que é adequado para fazer multiplicações de matrizes vetoriais com luz.

“Ao combinar o método de projeto inverso com a plataforma SiPh, poderíamos projetar estruturas com tamanhos da ordem de 10 a 30 mícrons, com espessura de silício variando entre 150 e 220 nm”, explica Engheta.

A equipe diz que sua nova plataforma fotônica pode fazer a multiplicação vetor-matriz com muito mais eficiência do que as tecnologias existentes. Engheta destaca ainda que a plataforma também é mais segura que os sistemas existentes. “Como esse cálculo de multiplicação de matrizes vetoriais é feito de forma óptica e simultânea, não é necessário armazenar as informações do estágio intermediário. Portanto, os resultados e processos são menos vulneráveis ​​a hackers.”

A equipa prevê que a sua abordagem terá implicações importantes na forma como a inteligência artificial é implementada.

A pesquisa é descrita em Nature Photonics.

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