Fotonska metastruktura izvaja vektorsko matrično množenje – Svet fizike

Novo platformo za silicijevo fotoniko, ki lahko izvaja matematične operacije veliko bolj učinkovito kot prejšnje zasnove, je predstavil Nader Engheta in sodelavci na Univerzi v Pensilvaniji. Ekipa s sedežem v ZDA upa, da bo njihov sistem pospešil napredek v optičnem računalništvu.

Analogni optični računalniki lahko izvajajo določene izračune učinkoviteje kot običajni digitalni računalniki. Delujejo tako, da kodirajo informacije v svetlobne signale in nato pošljejo signale skozi optične komponente, ki obdelajo informacije. Aplikacije vključujejo optično slikanje, obdelavo signalov in reševanje enačb.

Nekatere od teh komponent je mogoče izdelati iz fotonskih metamaterialov, ki vsebujejo nize struktur z velikostmi, ki so enake ali manjše od valovne dolžine svetlobe. S skrbnim nadzorom velikosti in porazdelitve teh struktur je mogoče izdelati različne komponente za obdelavo informacij.

Za razliko od zajetnih leč in filtrov, ki so bili uporabljeni za ustvarjanje prvih analognih optičnih računalnikov, so naprave na osnovi fotonskih metamaterialov manjše in jih je lažje vključiti v kompaktna vezja.

Matematične operacije

V preteklem desetletju je ekipa Engheta prispevala več pomembnih prispevkov k razvoju takih komponent. Od leta 2014 so pokazali, da je mogoče fotonske metamateriale uporabiti za izvajanje matematičnih operacij na svetlobnih signalih.

Od takrat so razširili to raziskavo. »Leta 2019 smo predstavili zamisel o metamaterialih, ki lahko rešujejo enačbe,« pravi Engheta. "Nato smo leta 2021 to idejo razširili na strukture, ki lahko rešijo več kot eno enačbo hkrati." Leta 2023 je ekipa razvila nov pristop za izdelavo ultratankih optičnih metamrež.

Engheta in sodelavci so se zdaj osredotočili na vektorsko matrično množenje, ki je ključna operacija za umetne nevronske mreže, ki se uporabljajo v nekaterih sistemih umetne inteligence. Ekipa je ustvarila prvo fotonsko nanostrukturo, ki je sposobna izvajati vektorsko matrično množenje. Material je bil izdelan s platformo silicijeve fotonike (SiPh), ki integrira optične komponente na silicijev substrat.

Inverzna zasnova

Raziskovalci so uporabili tudi obratni postopek načrtovanja. Namesto da bi vzeli znano nanostrukturo in ugotovili, ali ima pravilne optične lastnosti, se obratno načrtovanje začne z nizom želenih optičnih lastnosti. Nato se fotonska struktura z obratnim inženiringom pridobi tako, da ima te lastnosti. Z uporabo tega pristopa je ekipa zasnovala zelo kompakten material, ki je primeren za množenje vektorske matrike s svetlobo.

"S kombinacijo inverzne metode načrtovanja s platformo SiPh bi lahko oblikovali strukture z velikostmi reda 10-30 mikronov, z debelino silicija med 150-220 nm," pojasnjuje Engheta.

Ekipa pravi, da lahko njihova nova fotonska platforma izvede vektorsko matrično množenje veliko bolj učinkovito kot obstoječe tehnologije. Engheta še poudarja, da je platforma tudi varnejša od obstoječih sistemov. »Ker se ta izračun množenja vektorske matrike izvaja optično in hkrati, ni treba shranjevati informacij vmesne stopnje. Zato so rezultati in procesi manj ranljivi za vdore.«

Ekipa predvideva, da bo imel njihov pristop pomembne posledice za to, kako se izvaja umetna inteligenca.

Raziskava je opisana v Narava fotonika.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/photonic-metastructure-does-vector-matrix-multiplication/