Lys beregner enhver ønsket lineær transformation uden en digital processor

Forskellige former for lineære transformationer, såsom Fourier-transformationen, er bredt beskæftiget med behandling af oplysninger i forskellige applikationer. Disse transformationer implementeres generelt i det digitale domæne ved hjælp af elektroniske processorer, og deres beregningshastighed er begrænset med kapaciteten af ​​den elektroniske chip, der bruges, hvilket sætter en flaskehals i takt med at data og billedstørrelse bliver store. En løsning på dette problem kan være at erstatte digitale processorer med optiske modstykker og bruge lys til at behandle information.

I et nyt blad udgivet i Lys:Videnskab og applikationer , et team af optiske ingeniører, ledet af professor Aydogan Ozcan fra Electrical and Computer Engineering Department ved University of California, Los Angeles (UCLA), OS., og kolleger har udviklet en deep learning-baseret designmetode til al-optisk beregning af en vilkårlig lineær transformation. Denne helt optiske processor bruger rumligt konstruerede diffraktive overflader til at manipulere optiske bølger og beregner enhver ønsket lineær transformation, når lyset passerer gennem en række diffraktive overflader. Denne måde, beregningen af ​​den ønskede lineære transformation afsluttes med lysets udbredelseshastighed, med transmissionen af ​​indgangslyset gennem disse diffraktive overflader. Ud over dens beregningshastighed, disse helt optiske processorer bruger heller ikke strøm til at beregne, bortset fra belysningslyset, hvilket gør det til et passivt og high-throughput computersystem.

Analyserne udført af UCLA-teamet indikerer, at deep learning-baseret design af disse helt optiske diffraktive processorer nøjagtigt kan syntetisere enhver vilkårlig lineær transformation mellem et input- og outputplan, og nøjagtigheden såvel som diffraktionseffektiviteten af ​​de resulterende optiske transformationer forbedres væsentligt, efterhånden som antallet af diffraktive overflader stiger, afslører, at dybere diffraktive processorer er mere kraftfulde i deres computeregenskaber.

Succesen med denne metode er blevet demonstreret ved at udføre en lang række lineære transformationer, herunder for eksempel tilfældigt genererede fase- og amplitudetransformationer, Fourier transformationen, billedpermutations- og filtreringsoperationer. Denne computerramme kan anvendes bredt til enhver del af det elektromagnetiske spektrum til at designe optiske processorer ved hjælp af rumligt konstruerede diffraktive overflader til universelt at udføre en vilkårlig lineær transformation med kompleks værdi. Det kan også bruges til at danne optiske informationsbehandlingsnetværk til at udføre en ønsket beregningsopgave mellem et input- og outputplan, giver en passiv, strømfrit alternativ til digitale processorer.