Siêu cấu trúc quang tử thực hiện phép nhân ma trận vectơ

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Đổi mới quang tử: các nhà nghiên cứu ở Mỹ đã tạo ra một siêu vật liệu quang học có thể thực hiện phép nhân ma trận vectơ. (Được phép: iStock/Henrik5000)

Một nền tảng quang tử silicon mới có thể thực hiện các phép toán hiệu quả hơn nhiều so với các thiết kế trước đó đã được công bố bởi Nader Engheta và các đồng nghiệp tại Đại học Pennsylvania. Nhóm nghiên cứu có trụ sở tại Hoa Kỳ hy vọng rằng hệ thống của họ sẽ đẩy nhanh tiến độ trong lĩnh vực điện toán quang học.

Máy tính quang tương tự có thể thực hiện một số phép tính hiệu quả hơn máy tính kỹ thuật số thông thường. Chúng hoạt động bằng cách mã hóa thông tin thành tín hiệu ánh sáng và sau đó gửi tín hiệu qua các thành phần quang học xử lý thông tin. Các ứng dụng bao gồm hình ảnh quang học, xử lý tín hiệu và giải phương trình.

Một số thành phần này có thể được chế tạo từ siêu vật liệu quang tử, chứa các mảng cấu trúc có kích thước ngang bằng hoặc nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Bằng cách kiểm soát cẩn thận kích thước và sự phân bố của các cấu trúc này, có thể tạo ra nhiều thành phần xử lý thông tin khác nhau.

Không giống như các thấu kính và bộ lọc cồng kềnh được sử dụng để tạo ra các máy tính quang tương tự đầu tiên, các thiết bị dựa trên siêu vật liệu quang tử nhỏ hơn và dễ tích hợp hơn vào các mạch nhỏ gọn.

Các hoạt động toán học

Trong thập kỷ qua, nhóm của Engheta đã có nhiều đóng góp quan trọng cho việc phát triển các thành phần như vậy. Bắt đầu từ năm 2014, họ đã chứng minh rằng siêu vật liệu quang tử có thể được sử dụng để thực hiện các phép toán trên tín hiệu ánh sáng.

Kể từ đó họ đã mở rộng nghiên cứu này. Engheta nói: “Năm 2019, chúng tôi đã giới thiệu ý tưởng về siêu vật liệu có thể giải các phương trình”. “Sau đó, vào năm 2021, chúng tôi đã mở rộng ý tưởng này sang các cấu trúc có thể giải nhiều phương trình cùng một lúc.” Vào năm 2023, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới để chế tạo siêu âm quang học siêu mỏng.

Engheta và các đồng nghiệp hiện đã đặt mục tiêu vào phép nhân ma trận vectơ, đây là một hoạt động quan trọng đối với mạng lưới thần kinh nhân tạo được sử dụng trong một số hệ thống trí tuệ nhân tạo. Nhóm nghiên cứu đã tạo ra cấu trúc nano quang tử đầu tiên có khả năng thực hiện phép nhân ma trận vectơ. Vật liệu này được chế tạo bằng cách sử dụng nền tảng quang tử silicon (SiPh) tích hợp các thành phần quang học trên đế silicon.

Thiết kế nghịch đảo

Các nhà nghiên cứu cũng sử dụng quy trình thiết kế ngược. Thay vì lấy cấu trúc nano đã biết và xác định xem nó có các đặc tính quang học chính xác hay không, thiết kế nghịch đảo bắt đầu bằng một tập hợp các đặc tính quang học mong muốn. Sau đó, cấu trúc quang tử được thiết kế ngược để có những đặc tính đó. Sử dụng phương pháp này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một loại vật liệu rất nhỏ gọn, phù hợp để thực hiện phép nhân ma trận vectơ bằng ánh sáng.

Công tắc phân cực làm cho máy tính quang tử siêu nhanh

Engheta giải thích: “Bằng cách kết hợp phương pháp thiết kế nghịch đảo với nền tảng SiPh, chúng tôi có thể thiết kế các cấu trúc có kích thước vào khoảng 10-30 micron, với độ dày silicon nằm trong khoảng 150–220 nm”.

Nhóm nghiên cứu cho biết nền tảng quang tử mới của họ có thể thực hiện phép nhân ma trận vectơ hiệu quả hơn nhiều so với các công nghệ hiện có. Engheta cũng chỉ ra rằng nền tảng này cũng an toàn hơn các hệ thống hiện có. “Vì tính toán nhân ma trận vectơ này được thực hiện đồng thời và quang học nên người ta không cần lưu trữ thông tin ở giai đoạn trung gian. Do đó, kết quả và quy trình ít bị hack hơn.”

Nhóm nghiên cứu dự đoán rằng cách tiếp cận của họ sẽ có ý nghĩa quan trọng đối với cách triển khai trí tuệ nhân tạo.

Nghiên cứu được mô tả trong Thiên nhiên Photonics.