Fotonisk metastruktur gör vektor–matrismultiplikation

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Fotonisk innovation: forskare i USA har skapat ett optiskt metamaterial som kan utföra vektor-matrismultiplikation. (Med tillstånd: iStock/Henrik5000)

En ny kiselfotonikplattform som kan utföra matematiska operationer mycket mer effektivt än tidigare konstruktioner har presenterats av Nader Engheta och kollegor vid University of Pennsylvania. Det USA-baserade teamet hoppas att deras system kommer att påskynda framstegen inom optisk datoranvändning.

Analoga optiska datorer kan göra vissa beräkningar mer effektivt än konventionella digitala datorer. De fungerar genom att koda information till ljussignaler och sedan skicka signalerna genom optiska komponenter som bearbetar informationen. Tillämpningar inkluderar optisk bildbehandling, signalbehandling och ekvationslösning.

Vissa av dessa komponenter kan tillverkas av fotoniska metamaterial, som innehåller uppsättningar av strukturer med storlekar som är i nivå med eller mindre än ljusets våglängd. Genom att noggrant kontrollera storleken och fördelningen av dessa strukturer kan olika informationsbearbetningskomponenter tillverkas.

Till skillnad från de skrymmande linserna och filtren som användes för att skapa de första analoga optiska datorerna, är enheter baserade på fotoniska metamaterial mindre och lättare att integrera i kompakta kretsar.

Matematisk verksamhet

Under det senaste decenniet har Enghetas team gjort flera viktiga bidrag till utvecklingen av sådana komponenter. Från och med 2014 visade de att fotoniska metamaterial kan användas för att utföra matematiska operationer på ljussignaler.

De har sedan dess utökat denna forskning. "Under 2019 introducerade vi idén om metamaterial som kan lösa ekvationer," säger Engheta. "Sedan 2021 utökade vi den här idén till strukturer som kan lösa mer än en ekvation samtidigt." År 2023 utvecklade teamet ett nytt tillvägagångssätt för att tillverka ultratunna optiska metagrering.

Engheta och kollegor har nu siktet inställt på vektor-matrismultiplikation, vilket är en viktig operation för de artificiella neurala nätverk som används i vissa artificiella intelligenssystem. Teamet har skapat den första fotoniska nanostrukturen som kan göra vektor-matrismultiplikation. Materialet gjordes med hjälp av en kiselfotonik (SiPh)-plattform som integrerar optiska komponenter på ett kiselsubstrat.

Omvänd design

Forskarna använde också en omvänd designprocedur. Istället för att ta en känd nanostruktur och avgöra om den har de korrekta optiska egenskaperna, börjar omvänd design med en uppsättning önskade optiska egenskaper. Sedan är en fotonisk struktur omvänd konstruerad för att ha dessa egenskaper. Med detta tillvägagångssätt designade teamet ett mycket kompakt material som är lämpat för att göra vektormatrismultiplikationer med ljus.

Polarisationsbrytare gör ultrasnabb fotonisk dator

"Genom att kombinera den omvända designmetoden med SiPh-plattformen kunde vi designa strukturer med storlekar i storleksordningen 10-30 mikron, med en kiseltjocklek som sträcker sig mellan 150-220 nm," förklarar Engheta.

Teamet säger att dess nya fotoniska plattform kan göra vektor-matrismultiplikation mycket mer effektivt än befintlig teknik. Engheta påpekar också att plattformen också är säkrare än befintliga system. "Eftersom denna vektor-matris multiplikationsberäkning görs optiskt och samtidigt, behöver man inte lagra mellanstadsinformationen. Därför är resultaten och processerna mindre sårbara för hacking.”

Teamet räknar med att deras tillvägagångssätt kommer att ha viktiga konsekvenser för hur artificiell intelligens implementeras.

Forskningen beskrivs i Naturfotonik.