Математики с помощью света научились мгновенно решать уравнения

Постоянно растущие потребности в эффективных вычислениях побуждают исследователей из различных областей науки искать альтернативы традиционным цифровым вычислениям. «Скорость обработки и энергоэффективность стандартной электроники стали ограничивающими факторами для новых приложений, входящих в нашу повседневную жизнь, таких как искусственный интеллект, машинное обучение, компьютерное зрение и многие другие», — говорит ведущий автор работы Андреа Кордаро. — «В этом контексте аналоговые вычисления снова привлекли к себе значительное внимание как дополнение к традиционным архитектурам».

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, так называемые метаповерхности.

Кроме того, оптическая аналоговая обработка может быть более энергоэффективной, чем электронные методы, поскольку при оптических методах почти не выделяется тепло, а паразитное тепло — одна из больших проблем при работе электронных схем. Эти преимущества делают оптические вычисление очень удобными для при работе высокопроизводительных вычислительных приложений, где важны и скорость и энергоэффективность.

«Например, в беспилотных автомобилях обнаружение и обработка изображений занимают много вычислительного времени, а мы в более ранней работе показали, что можно использовать оптическую метаповерхность для очень быстрого обнаружения краев входного изображении. Обнаружение краев объектов, таких как автомобили, люди и т. д., — это первый шаг в обработке изображений. Выполнение этого шага оптически может сэкономить время и энергию», — говорит Кардаро.

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 инженерные задачи, науку и экономику, — это вычисление обратной матрицы. Если выполнять вычисления традиционными методами, то получается довольно медленно».

Группа исследователей, в которую входят и математики и оптики, разработала тонкую диэлектрическую метарешетку и встроила в образец полупрозрачное зеркало, чтобы оптический сигнал частично возвращался к наноструктурам, каждый раз умножаясь на матрицу рассеяния метарешетки.

В результате ученым удалось добиться обращения матриц со скоростью, намного превышающей скорость, характерную для типичных методов цифровых вычислений. Решение сходится к нужному результату практически мгновенно - менее чем за одну тысячную миллионной доли секунды. Это на несколько порядков быстрее, чем тактовая частота обычного процессора.

Кордаро говорит: «Мы продемонстрировали мощный результат, которого можно добиться, если применить нанотехнологии к аналоговым вычислениям. Это может проложить путь к гибридным оптико-электронным вычислительным схемам. Дальнейшее развитие наших идей ведет к решению проблем высокой вычислительной сложности со скоростью и эффективностью, которые еще вчера были просто немыслимы».