Metamateriaalia analogiseen optiseen laskentaan

Uusiin metamateriaaleihin perustuvat arkkitehtuurit tarjoavat lupaavan alustan massatuotettavien, uudelleen ohjelmoitavien järjestelmien rakentamiseen, jotka suorittavat laskentatehtäviä valolla.

Kehittyvät teknologiat, mukaan lukien tekoäly, voivat hyötyä analogisesta laskentamenetelmästä. Suunta on lupaava sillä analogiset tietokoneet käsittelevät informaatiota valolla eikä sähkövirroilla.

Kuten Pennsylvanian yliopiston Nader Engheta kertoi vuoden 2024 APS March Meetingissa, metamateriaaleina tunnetut komposiittimediat tarjoavat tehokkaan alustan analogisten optisten tietokoneiden rakentamiseen.

Uusimmassa työssään hänen tiiminsä esitteli metamateriaalialustan, joka voidaan tuottaa massavalmistuksella ja integroida piielektroniikkaan sekä lähestymistavan sellaisen arkkitehtuurin rakentamiseen, joka voidaan ohjelmoida uudelleen reaaliajassa erilaisten laskentatehtävien suorittamiseksi.

Jo vuonna 2014 Engheta ja yhteistyökumppanien ensimmäiset simulaationsa esittivät, että metamateriaalit voisivat toteuttaa sarjan matemaattisia operaatioita, mukaan lukien differentiaatio, integrointi ja konvoluutio.

Engheta ja hänen kollegansa ovat nyt kehittäneet on-chip-alustan, joka toisin kuin metapintajärjestelmät, joissa valo etenee vapaassa tilassa eli tiimin metamateriaalisuunnittelu kanavoi valoa piisirun strukturoitujen aaltoputkien kautta. Tieteellisesti kyseessä on käänteisesti suunnitellut matalan indeksin kontrastirakenteet piifotoniikka-alustalla vektori-matriisi kertolaskentaa varten

Optisen työn rinnalla Engheta ajaa analogisten tietokoneiden matemaattisia kykyjä käyttämällä periaatetodistuslaitteita alemmilla taajuuksilla. Ryhmän uusin tulos lisäsi tärkeän uuden ominaisuuden: uudelleenkonfiguroitavuuden – yhtälönratkaisijan kyky ohjelmoida uudelleen suorittamaan erilaista matematiikkaa.

Ohjelmoitava, metamateriaalista valmistettu piifotoniikkasiru olisi siunaus analogiselle optiselle laskennalle, Engheta toteaa, koska se käsittelee informaatiota valon nopeudella murto-osalla energiasta, joka tarvitaan niiden miljoonien toimintojen suorittamiseen, jotka perinteisen digitaalisen prosessorin on suoritettava ratkaistakseen samat tehtävät.

"Näissä valo kulkee aaltoputkilabyrintin läpi, ja kun se tulee ulos, saat vastauksen yhdellä ajolla", hän sanoo. Ja koska fotonit, toisin kuin elektronit, eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, rinnakkaiset toiminnot voitaisiin suorittaa samanaikaisesti yksinkertaisesti ajamalla valoa eri aallonpituuksilla rakenteen läpi.

Lisäksi menettelyllä olisi yksityisyysetuja, koska se ei vaadi välivaiheita, jotka tallentavat informaatiota mahdollisesti hakkeroitavaan muistiin, Engheta vakuuttaa.

Aiheesta aiemmin:

Yhtä aikaa analoginen ja digitaalinen

Kvanttisimulointia analogisesti ja koneoppimisella

Nanomittakaavan tietokone toimii valon nopeudella

Metamateriaali ratkoo yhtälöitä