Фотонна метаструктура виконує векторно-матричне множення – Physics World

Нова платформа кремнієвої фотоніки, яка може виконувати математичні операції набагато ефективніше, ніж попередні розробки, була представлена Надер Енгета та колеги з Університету Пенсільванії. Американська команда сподівається, що її система прискорить прогрес у оптичних обчисленнях.

Аналогові оптичні комп’ютери можуть виконувати певні обчислення ефективніше, ніж звичайні цифрові комп’ютери. Вони працюють шляхом кодування інформації у світлові сигнали, а потім надсилання сигналів через оптичні компоненти, які обробляють інформацію. Програми включають оптичне зображення, обробку сигналів і вирішення рівнянь.

Деякі з цих компонентів можуть бути виготовлені з фотонних метаматеріалів, які містять масиви структур з розмірами, які відповідають довжині хвилі світла або менше. Ретельно контролюючи розмір і розподіл цих структур, можна створювати різні компоненти обробки інформації.

На відміну від громіздких лінз і фільтрів, які використовувалися для створення перших аналогових оптичних комп’ютерів, пристрої на основі фотонних метаматеріалів менші, і їх легше інтегрувати в компактні схеми.

Математичні операції

За останнє десятиліття команда Engheta зробила кілька важливих внесків у розробку таких компонентів. Починаючи з 2014 року, вони показали, що фотонні метаматеріали можна використовувати для виконання математичних операцій зі світловими сигналами.

З тих пір вони розширили це дослідження. «У 2019 році ми представили ідею метаматеріалів, які можуть розв’язувати рівняння», — каже Енгета. «Тоді в 2021 році ми поширили цю ідею на структури, які можуть розв’язувати більше ніж одне рівняння одночасно». У 2023 році команда розробила новий підхід для виготовлення надтонких оптичних метаграток.

Зараз Енгета та його колеги націлилися на векторно-матричне множення, яке є життєво важливою операцією для штучних нейронних мереж, які використовуються в деяких системах штучного інтелекту. Команда створила першу фотонну наноструктуру, здатну виконувати векторно-матричне множення. Матеріал був виготовлений за допомогою платформи кремнієвої фотоніки (SiPh), яка інтегрує оптичні компоненти на кремнієву підкладку.

Інверсний дизайн

Дослідники також використовували процедуру зворотного проектування. Замість того, щоб брати відому наноструктуру та визначати, чи має вона правильні оптичні властивості, зворотний дизайн починається з набору бажаних оптичних властивостей. Потім фотонну структуру піддають зворотній інженерії, щоб мати ці властивості. Використовуючи цей підхід, команда розробила дуже компактний матеріал, який підходить для виконання векторно-матричного множення зі світлом.

«Поєднавши метод зворотного проектування з платформою SiPh, ми могли б проектувати структури з розмірами порядку 10-30 мікрон із товщиною кремнію в межах 150-220 нм», — пояснює Енгета.

Команда стверджує, що їх нова фотонна платформа може виконувати векторно-матричне множення набагато ефективніше, ніж існуючі технології. Енгета також зазначає, що платформа є більш безпечною, ніж існуючі системи. «Оскільки це обчислення векторно-матричного множення виконується оптично й одночасно, не потрібно зберігати інформацію проміжного етапу. Таким чином, результати та процеси менш вразливі до злому».

Команда очікує, що їхній підхід матиме важливі наслідки для впровадження штучного інтелекту.

Дослідження описано в Природа Фотоніка.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/photonic-metastructure-does-vector-matrix-multiplication/