Ученые из AMOLF, Пенсильванского университета и Городского университета Нью-Йорка (CUNY) создали наноструктурированную поверхность, способную решать уравнения с помощью света. Это открытие открывает захватывающие новые возможности в области аналоговой обработки на основе оптических метаповерхностей. АМОЛЬФ к.т.н. студент Андреа Кордаро и его соавторы опубликовали свои выводы в журнале Nature Nanotechnology 12 января 2023 года.
Постоянно растущие мировые потребности в эффективных вычислениях побуждают исследователей из различных областей исследований искать альтернативы нынешней парадигме цифровых вычислений. «Скорость обработки и энергоэффективность стандартной электроники стали ограничивающими факторами для новых прорывных приложений, входящих в нашу повседневную жизнь , таких как искусственный интеллект , машинное обучение , компьютерное зрение и многие другие», — говорит Андреа Кордаро. «В этом контексте аналоговые вычисления снова появились и вновь привлекли к себе значительное внимание как дополнительный путь к традиционным архитектурам».
Вычисления со скоростью света
Оптическая аналоговая обработка относится к использованию света для выполнения аналоговых вычислений, в отличие от традиционных электронных методов, использующих электричество. Одним из основных преимуществ использования света для выполнения конкретных вычислительных задач является то, что он может работать на гораздо более высоких скоростях, чем электронные методы, поскольку вычисления выполняются со скоростью света, проходящего через очень тонкие наноструктурированные поверхности, называемые метаповерхностями.
Кроме того, оптическая аналоговая обработка может быть более энергоэффективной, чем электронные методы, поскольку она не выделяет тепло, как электронные схемы. Это делает его подходящим для использования в высокопроизводительных вычислительных приложениях, где важны скорость и энергоэффективность.
« Например, в беспилотных автомобилях обнаружение и обработка изображений занимают много вычислительного времени, — говорит Кордаро.
«В более ранней статье мы показали, что можно использовать оптическую метаповерхность для очень быстрого обнаружения краев на входном изображении. Обнаружение краев объектов, таких как автомобили, люди и т. д., — это первый шаг в обработке изображений во многих Выполнение этого шага оптически может сэкономить время и энергию обработки».
Инверсии матриц в один миг
Кордаро и его коллеги поняли, что они могут использовать метаповерхности и для выполнения других математических операций. «Один из наиболее частых классов задач, возникающих во многих областях, включая инженерию, науку и экономику, — это так называемые «линейные обратные задачи». Обычно они включают инверсию матриц, а это довольно медленные математические операции», — говорит он.
Группа исследователей разработала тонкую диэлектрическую наноструктуру, называемую метарешеткой, и встроила в образец полупрозрачное зеркало, чтобы непрерывно отправлять сигнал обратно к наноструктурам, каждый раз умноженный на матрицу рассеяния метарешетки.
«Мы используем специальную технику оптимизации для разработки элементарной ячейки наноструктурированного массива или метарешетки, которая может выполнять желаемое матричное умножение», — говорит Кордаро. «Каждая математическая задача требует определенного дизайна метарешетки, но теоретически можно создать поверхность с несколькими параллельными решетками для параллельного решения нескольких интегральных уравнений».
Эти результаты демонстрируют возможность решения сложных математических задач и общего обращения матриц со скоростью, намного превышающей скорость, характерную для типичных методов цифровых вычислений. Действительно, решение сходится примерно за 349 фс (т. е. менее одной тысячной миллионной секунды), что на несколько порядков быстрее, чем тактовая частота обычного процессора.
Кордаро говорит: «Мы продемонстрировали мощный новый союз между нанотехнологиями и аналоговыми вычислениями, который может проложить путь к гибридным оптическим и электронным вычислительным схемам. Дальнейшее развитие наших идей приведет к решению проблем повышенной сложности со скоростью и эффективностью, которые ранее были немыслимы.»
