ساختارهای جدید مبتنی بر فراماده، زیرساخت نویدبخشی را برای ساختن طرح هایی با قابلیت برنامه ریزی مجدد و تولید انبوه جهت انجام کارهای محاسباتی با نور پیشنهاد می دهند.

نمایی از طرح حل معادله به کار گرفته شده در ارائه 2019. این طرح، متشکل از یک قطعه "پنیر-سوئیسی" است که توسط چندین موجبر به هم متصل شده است. تصویر از: N.M. Estakhri et al., science 363, 1333(2019)

ایده یک کامپیوتر آنالوگ-دستگاهی که از متغیرهای پیوسته به جای صفر و یک ها استفاده می کند- ممکن است ماشین آلات منسوخ شده، از ساعتهای مچی مکانیکی تا دستگاه های هدف گیری بمب استفاده شده در جنگ جهانی دوم را در ذهن تداعی کند. اما فناوریهای نوظهور، شامل هوش مصنوعی، می توانند از این روش محاسباتی مزیت های فراوانی به دست آورند. یک مسیر امیدوارکننده شامل کامپیوترهای آنالوگی است که به جای جریان های الکتریکی، اطلاعات را با نور پردازش می کنند. همانطور که در همایش ماه مارچ سال 2024 APS، توسط نادر انقطاع از دانشگاه پنسیلوانیا گزارش شده، مواد کامپوزیت معروف به فرامواد، یک زیرساخت قدرتمند برای ساخت کامپیوترهای اپتیکی آنالوگ ارائه می دهند. در پژوهش اخیر، گروه او یک زیرساخت فراماده که قابلیت انبوه سازی و مجتمع شدن با الکترونیک سیلیکونی را داراست[1]، و علاوه بر آن روشی برای ساخت ساختارهایی که می تواند در زمان حقیقی برای انجام کارهای محاسباتی مختلف برنامه ریزی مجدد شود، به نمایش درآوردند[2]. انقطاع می گوید کامپیوترهای اپتیکی آنالوگ مبتنی بر فراماده شاید روزی کارهای معینی را بسیار سریعتر و با انرژی کمتر نسبت به کامپیوترهای متداول انجام دهند.

فرامواد موادی مصنوعی هستند که از سر هم کردن واحدهای زیادی که هر کدام کوچکتر از طول موج نوری هستند که برای کار با آن طراحی شده اند، ساخته می شوند. آنها را می توان برای نمایش ویژگی هایی که در مواد طبیعی یافت نمی شود، که معروف ترین آنها ضریب شکست نزدیک به صفر یا منفی است، طراحی کرد. این ویژگی‌های عجیب و غریب می‌توانند کاربردهای منحصربه‌فردی، از تصویربرداری با طول موج تا شنل نامرئی را ممکن کنند.

انعطاف پذیری طراحی فرامواد، چندین گروه را به این سمت هدایت کرد که در جستجوی راهبردهایی برای جایگزین کردن آنها به جای ماشینهای محاسباتی باشند. در سال 2014، انقطاع و همکارانش یک مجموعه از پیشنهادات اولیه را مطرح کردند. شبیه سازی های آنها حاکی از آن بود که فرامواد می توانند یک مجموعه از عملیات ریاضی شامل مشتق گیری، انتگرال گیری و کانولوشن (هم گشت) را محقق کنند. این روش، شامل دریافت یک موج الکترومغناطیسی به عنوان تابع ورودی و دستکاری آن از طریق برهم کنش با فراماده است به طوریکه موج خروجی یک تبدیل ریاضی دلخواه از ورودی باشد.

پنج سال بعد، گروه انقطاع به طور تجربی این طرح پیشنهادی را تحقق بخشیدند. با کار در محدوده طول موج های میکروویو، طرح آنها دربرگیرنده قطعه ای از یک فراماده با چندین درگاه ورودی و خروجی متصل شده توسط موجبرها در یک حلقه بازخورد بود. آزمایشها نشان دادند برای یک ورودی داده شده، خروجی دستگاه پاسخ معادله انتگرالی معروف به فردهلم بود که در زمینه های گوناگونی مانند مکانیک سیالات، طراحی آنتن و نظریه اختلال مکانیک کوانتومی مورد استفاده قرار می گیرد. برای انتخاب ساختار فراماده ای که ریاضیات مورد نظر را تحقق بخشد، پژوهشگران از "طراحی معکوس"-یک روش تکرارشونده برای حل مسائل بهینه سازی استفاده کردند. فراماده به دست آمده، دارای ساختار "پنیر-سوئیسی" غیر معمول، دارای یک توزیع ناهمگن از جزیره های کوچک با ویژگی های دی الکتریک مختلف -سوراخ های هوا، پلی استایرن و مواد جاذب میکرو موج بود.

چون میکرو موج ها نیازمند چیدمان های غیر عملی حجیم هستند، چندین گروه پژوهشی تصمیم گرفتند تا مفاهیم مشابهی را به فرکانس های اپتیکی گسترش دهند که گستره ای از طرح های محاسباتی را به نمایش می گذارد. اغلب این نمایشها، ورقه های نازک زیر طول موجی از فرامواد معروف به فرا سطوح را به منظور دستکاری نور منتشر شده در فضای حقیقی و انتقال یافته در ورقه مورد استفاده قرار دادند. انقطاع می گوید با این وجود طرح های فراسطح به فرآیندهای ساخت سفارشی پیچیده نیاز دارند که امکان تولید انبوه را محدود می کند.

نمایی از تراشه فوتونیک سیلیکونی مبتنی بر فراماده. تصویر از V. Nikkhah et al. [1]

انقطاع و همکارانش اکنون زیرساختی را روی-تراشه توسعه داده اند که ممکن است بر چنین محدودیت هایی غلبه کند[1]. برخلاف طرح‌های فراسطح با انتشار نور در فضای آزاد، فراماده طراحی شده توسط این تیم نور را از طریق موجبرهای ساختاری روی یک تراشه سیلیکونی هدایت می کند. پژوهشگران با طراحی معکوس یک تراشه در ابعاد میکرون با ساختاری یادآور طراحی ریزموج خودشان در سال 2019 ساختند: مجموعه ای از موجبرها که نور را به داخل و خارج از یک کاواک مسطح شامل یک فرا ماده شبه پنیر-سوئیسی منتقل می کند. انقطاع می گوید چنین ساختاری را می توان به سادگی از کارگاه های ریخته گری تجاری سفارش داد. این تراشه نوری در مقایسه با همتای میکروموج خود، ریاضیات ساده‌تری انجام می‌دهد: یک بردار را در یک ماتریس ضرب می‌کند- عملیاتی که برای ابزارهای هوش مصنوعی مانند شبکه‌های عصبی مفید است. برای حل معادلات، این طرح نیاز به به کار گیری موجبرهای بازخوردی دارد که خروجی‌ها را به ورودی‌ها متصل می‌کنند، همانطور که در مایکروویوها انجام شد- یک چالش مهندسی که تیم قصد دارد در تراشه‌های نسل بعدی به آن بپردازد.

به موازات کار اپتیکی، انقطاع توانایی های ریاضیاتی کامپیوترهای آنالوگ را با استفاده از دستگاه های راستی آزمایی اصول در فرکانسهای پایین تر افزایش می دهد. آخرین نتیجه گروه، یک ویژگی جدید مهم را اضافه کرد: قابلیت پیکربندی مجدد- قابلیت یک حل کننده معادله برای برنامه ریزی مجدد به منظور انجام ریاضیات مختلف. این طرح شامل یک مدول 5 در 5 از عناصر بسامد رادیویی (45 مگاهرتز) از قبیل تقویت کننده ها و جابه جا کننده های فاز بود. دستگاه می توانست از طریق کنترل کردن پارامترهای هریک از عناصر، پیکربندی مجدد شود. به عنوان یک اثبات، پژوهشگران از دستگاه خود خواستند دو مساله متفاوت را حل کند: یافتن ریشه های یک رشته از چند جمله ای ها و انجام دادن طراحی معکوس یک فراساختار. هر دو مساله غیر پایا هستند، یعنی مستلزم یک دنباله از مراحل با عملیات ریاضی مختلف در هر مرحله می باشند.

انقطاع تصور می کند که این ویژگیِ قابلیتِ پیکربندی مجدد بتواند سرانجام به تراشه های فوتونیک سیلیکونی منتقل شود. یک روش برای انجام دادن این کار شامل لایه نشانی یک لایه طرح دار از ماده "تغییر فازی" بر روی موجبرهای دستگاه است. چنین ماده ای وقتی گرم میشود ضریب شکست خود را تغییر می دهد، که بر انتشار نور در موجبرها و در نتیجه عملگر ریاضی که چنین انتشاری را کدبندی می کند، تاثیر می گذارد.

انقطاع می گوید تراشه فوتونیک سیلیکونی فراماده قابل برنامه نویسی مجدد، برای محاسبات اپتیکی آنالوگ یک موهبت خواهد بود که پردازش اطلاعات را با سرعت نور با کسری از انرژی مورد نیاز به منظور تامین انرژی میلیون ها عملیاتی که یک پردازشگر دیجیتال معمول برای حل همان وظایف نیاز دارد انجام می دهد. او می گوید: "اینجا، نور از میان یک هزارتوی موجبر عبور می کند و وقتیکه بیرون می آید شما پاسخ را یکباره دریافت می کنید" و چون فوتون ها برخلاف الکترونها با هم برهمکنش نمی کنند، عملیات موازی می تواند به سادگی به طور همزمان از طریق تابش نور در طول موج های مختلف در دستگاه پیش رود. انقطاع می گوید، افزون بر این، چنین دستگاهی مزیت های حفظ حریم خصوصی خواهد داشت، زیرا به مراحل میانی که اطلاعات را در یک حافظه به طور بالقوه قابل هک ذخیره می کند، نیاز ندارد.

1. V. Nikkhah et al., “Inverse-designed low-index-contrast structures on a silicon photonics platform for vector–matrix multiplication,” Nat. Photon. (2024).

2. D. C. Tzarouchis et al., “Programmable wave-based analog computing machine: A metastructure that designs metastructures,” arXiv:2301.02850.

منبع:

Metamaterials for Analog Optical Computing

ترجمه خبر: بهناز ساربانها