AMOLF，宾夕法尼亚大学和纽约市立大学(CUNY)的研究人员创建了一个能够利用光求解方程的纳米结构表面。这一发现为基于光学超表面的模拟处理领域开辟了令人兴奋的新机遇。AMOLF博士生Andrea Cordaro和他的合著者在 自然纳米技术 2023 年 1 月 12 日。

世界对高效计算的需求不断增长，这促使来自不同研究领域的研究人员探索当前数字计算范式的替代方案。“标准电子产品的处理速度和能源效率已成为进入我们的新型颠覆性应用的限制因素。 日常生活如 人工智能, 机器学习、计算机视觉等等，“Andrea Cordaro 说。“在这种情况下，模拟计算作为传统架构的补充途径重新浮出水面并重新获得广泛关注。

以光速计算

光学模拟处理是指使用光来执行模拟计算，而不是使用电力的传统电子方法。使用光执行特定计算任务的一个主要好处是，它可以以比电子方法高得多的速度运行，因为计算是以光速穿过称为超表面的非常薄的纳米结构表面的速度进行的。

此外，光学模拟处理可能比电子方法更节能，因为它不像电子电路那样产生热量。这使得它非常适合用于高性能计算应用，其中速度和 能效 很重要。

“在 自动驾驶汽车，例如，图像检测和处理会占用大量的计算时间，“Cordaro说。

“在早期的一篇论文中，我们已经表明，在输入图像中使用光学超表面进行非常快速的边缘检测是可能的。在许多应用中，检测物体(如汽车、人等)的边缘是图像处理的第一步。以光学方式执行此步骤可以节省处理时间和精力。

矩阵反演瞬间

Cordaro和他的同事意识到他们也可以使用超表面来执行其他数学运算。“在包括工程、科学和经济学在内的许多领域出现的最常见的一类问题之一是所谓的'线性逆问题'。 这些通常涉及矩阵反演，这是相当缓慢的数学运算，”他说。

研究小组开发了一种薄的介电纳米结构，称为分光栅，并将半透明镜子掺入样品中，以连续地将信号发送回纳米结构，每次乘以分光散射矩阵。

“我们使用一种特殊的优化技术来设计纳米结构阵列的晶胞，或进行元化，可以执行所需的矩阵乘法，”Cordaro说。“每个数学问题都需要对宏光栅进行特定的设计，但理论上可以设计一个具有多个平行光栅的表面，以并行求解多个积分方程。

这些结果表明，以远远超过典型数字计算方法的速度解决复杂的数学问题和通用矩阵反演的可能性。事实上，该解决方案收敛在大约349 fs(即不到千分之一秒)中，比传统处理器的时钟速度快几个数量级。