Metastructura fotonică face multiplicarea vector-matrice – Physics World

Metastructura fotonică face multiplicarea vector-matrice – Physics World

Marca temporală: 11 martie 2024 10:03 AM


Inovație fotonică
Inovație fotonică: cercetătorii din SUA au creat un metamaterial optic care poate efectua multiplicarea vector-matrice. (Cu amabilitatea: iStock/Henrik5000)

O nouă platformă fotonică de siliciu care poate face operații matematice mult mai eficient decât proiectele anterioare a fost dezvăluită de Nader Engheta și colegii de la Universitatea din Pennsylvania. Echipa din SUA speră că sistemul său va accelera progresul în calculul optic.

Calculatoarele optice analogice pot face anumite calcule mai eficient decât calculatoarele digitale convenționale. Ele funcționează prin codificarea informațiilor în semnale luminoase și apoi trimiterea semnalelor prin componente optice care procesează informațiile. Aplicațiile includ imagistica optică, procesarea semnalului și rezolvarea ecuațiilor.

Unele dintre aceste componente pot fi realizate din metamateriale fotonice, care conțin rețele de structuri cu dimensiuni care sunt egale sau mai mici decât lungimea de undă a luminii. Controlând cu atenție dimensiunea și distribuția acestor structuri, pot fi realizate diverse componente de procesare a informațiilor.

Spre deosebire de lentilele și filtrele voluminoase care au fost folosite pentru a crea primele computere optice analogice, dispozitivele bazate pe metamateriale fotonice sunt mai mici și mai ușor de integrat în circuite compacte.

Operații matematice

În ultimul deceniu, echipa Engheta a adus câteva contribuții importante la dezvoltarea unor astfel de componente. Începând din 2014, au arătat că metamaterialele fotonice pot fi folosite pentru a efectua operații matematice pe semnale luminoase.

De atunci, ei au extins această cercetare. „În 2019, am introdus ideea de metamateriale care pot rezolva ecuații”, spune Engheta. „Apoi, în 2021, am extins această idee la structuri care pot rezolva mai multe ecuații în același timp.” În 2023, echipa a dezvoltat o nouă abordare pentru fabricarea metagratelor optice ultrasubțiri.

Engheta și colegii și-au pus acum ochii pe multiplicarea vector-matrice, care este o operațiune vitală pentru rețelele neuronale artificiale utilizate în unele sisteme de inteligență artificială. Echipa a creat prima nanostructură fotonică capabilă să facă multiplicarea vector-matrice. Materialul a fost realizat folosind o platformă fotonică de siliciu (SiPh) care integrează componente optice pe un substrat de siliciu.

Design invers

Cercetătorii au folosit, de asemenea, o procedură de proiectare inversă. În loc de a lua o nanostructură cunoscută și de a determina dacă are proprietăți optice corecte, proiectarea inversă începe cu un set de proprietăți optice dorite. Apoi, o structură fotonică este proiectată invers pentru a avea acele proprietăți. Folosind această abordare, echipa a proiectat un material extrem de compact, care este potrivit pentru a face multiplicari cu matrice vectorială cu lumină.

„Combinând metoda de proiectare inversă cu platforma SiPh, am putea proiecta structuri cu dimensiuni de ordinul 10-30 microni, cu o grosime a siliciului cuprinsă între 150–220 nm”, explică Engheta.

Echipa spune că noua sa platformă fotonică poate face multiplicarea vector-matrice mult mai eficient decât tehnologiile existente. De asemenea, Engheta subliniază că platforma este, de asemenea, mai sigură decât sistemele existente. „Deoarece acest calcul al multiplicarii vector-matrice se face optic și simultan, nu este nevoie să stocați informațiile din stadiul intermediar. Prin urmare, rezultatele și procesele sunt mai puțin vulnerabile la hacking.”

Echipa anticipează că abordarea lor va avea implicații importante asupra modului în care este implementată inteligența artificială.

Cercetarea este descrisă în Natura Photonics.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii