光子元结构进行矢量矩阵乘法 – 物理世界

一种新的硅光子平台可以比以前的设计更有效地进行数学运算 纳德·恩赫塔 和宾夕法尼亚大学的同事。这支美国团队希望其系统能够加速光计算的进步。

模拟光学计算机可以比传统数字计算机更有效地进行某些计算。它们的工作原理是将信息编码为光信号，然后通过处理信息的光学组件发送信号。应用包括光学成像、信号处理和方程求解。

其中一些组件可以由光子超材料制成，其中包含尺寸等于或小于光波长的结构阵列。通过仔细控制这些结构的尺寸和分布，可以制造各种信息处理组件。

与用于创建第一台模拟光学计算机的笨重镜头和滤光片不同，基于光子超材料的设备更小并且更容易集成到紧凑电路中。

数学运算

在过去的十年中，Engheta 的团队为此类组件的开发做出了多项重要贡献。从 2014 年开始，他们展示了光子超材料可用于对光信号进行数学运算。

此后他们扩大了这项研究。 “2019 年，我们引入了可以求解方程的超材料的想法，”Engheta 说。 “然后在 2021 年，我们将这一想法扩展到可以同时求解多个方程的结构。” 2023 年，该团队开发了一种制造超薄光学元光栅的新方法。

Engheta 和同事现在将目光投向向量矩阵乘法，这对于某些人工智能系统中使用的人工神经网络来说是至关重要的运算。该团队创造了第一个能够进行矢量矩阵乘法的光子纳米结构。该材料是使用硅光子（SiPh）平台制成的，该平台将光学元件集成到硅基板上。

逆向设计

研究人员还使用了逆向设计程序。逆向设计不是采用已知的纳米结构并确定其是否具有正确的光学特性，而是从一组所需的光学特性开始。然后，对光子结构进行逆向工程以获得这些特性。使用这种方法，该团队设计了一种高度紧凑的材料，适合用光进行矢量矩阵乘法。

Engheta 解释道：“通过将逆向设计方法与 SiPh 平台相结合，我们可以设计尺寸在 10-30 微米量级、硅厚度在 150-220 nm 之间的结构。”

该团队表示，其新的光子平台可以比现有技术更有效地进行矢量矩阵乘法。 Engheta 还指出，该平台也比现有系统更安全。 “由于这种向量矩阵乘法计算是通过光学方式同时完成的，因此不需要存储中间阶段的信息。因此，结果和过程更不易受到黑客攻击。”

该团队预计他们的方法将对人工智能的实施方式产生重要影响。

该研究描述于 自然光子学“.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/photonic-metastructure-does-vector-matrix-multiplication/