Forskere foreslår neuromorfisk databehandling med optisk drevet ikke-lineær væskedynamik

Sollys, der funkler på vandet, fremkalder de rige fænomener af væske-lys-interaktion, der spænder over rumlige og tidsmæssige skalaer. Mens dynamikken i væsker har fascineret forskere i årtier, har fremkomsten af ​​neuromorfisk databehandling udløst betydelige bestræbelser på at udvikle nye, ukonventionelle beregningsskemaer baseret på tilbagevendende neurale netværk, afgørende for at understøtte en bred vifte af moderne teknologiske applikationer, såsom mønstergenkendelse og autonom kørsel . Da biologiske neuroner også er afhængige af et flydende miljø, kan en konvergens opnås ved at bringe nanoskala ikke-lineær væskedynamik til neuromorfisk databehandling.

Forskere fra University of California San Diego foreslog for nylig et nyt paradigme, hvor væsker, som normalt ikke interagerer stærkt med lys på mikro- eller nanoskala, understøtter en betydelig ikke-lineær reaktion på optiske felter. Som rapporteret i Avanceret fotonik , forudsiger forskerne en væsentlig lys-væske interaktionseffekt gennem en foreslået guldplaster i nanoskala, der fungerer som en optisk varmelegeme og genererer tykkelsesændringer i en væskefilm, der dækker bølgelederen.

Den flydende film fungerer som en optisk hukommelse. Sådan virker det:Lys i bølgelederen påvirker væskeoverfladens geometri, mens ændringer i væskeoverfladens form påvirker egenskaberne af den optiske modus i bølgelederen og udgør dermed en gensidig kobling mellem den optiske modus og væskefilmen . Det er vigtigt, når væskegeometrien ændres, at egenskaberne af den optiske tilstand undergår en ikke-lineær reaktion; efter at den optiske puls stopper, indikerer størrelsen af ​​væskefilmens deformation styrken af ​​den forrige optiske puls.

Bemærkelsesværdigt, i modsætning til traditionelle beregningsmetoder, ligger den ikke-lineære respons og hukommelsen i det samme rumlige område, hvilket antyder realisering af en kompakt (ud over von-Neumann) arkitektur, hvor hukommelse og beregningsenhed optager det samme rum. Forskerne demonstrerer, at kombinationen af ​​hukommelse og ikke-linearitet giver mulighed for "reservoir computing", der er i stand til at udføre digitale og analoge opgaver, såsom ikke-lineære logiske porte og håndskrevet billedgenkendelse.

Deres model udnytter også et andet væsentligt flydende træk:ikke-lokalitet. Dette gør dem i stand til at forudsige beregningsforbedring, der simpelthen ikke er mulig i solid state-materialeplatforme med begrænset ikke-lokal rumlig skala. På trods af ikke-lokalitet opnår modellen ikke helt niveauerne for moderne solid-state optik-baserede reservoir computing-systemer, men arbejdet præsenterer ikke desto mindre en klar køreplan for fremtidige eksperimentelle værker, der sigter mod at validere de forudsagte effekter og udforske indviklede koblingsmekanismer af forskellige fysiske processer i et flydende miljø til beregning.

Ved at bruge multifysiske simuleringer til at undersøge koblingen mellem lys, væskedynamik, varmetransport og overfladespændingseffekter forudsiger forskerne en familie af nye ikke-lineære og ikke-lokale optiske effekter. De går et skridt videre ved at angive, hvordan disse kan bruges til at realisere alsidige, ikke-konventionelle beregningsplatforme. Ved at drage fordel af en moden siliciumfotonikplatform foreslår de forbedringer af avancerede væskeassisterede beregningsplatforme med omkring fem størrelsesordener i rummet og mindst to størrelsesordener i hastighed. + Udforsk yderligere

Iboende optiske ikke-lineariteter og bæredynamik af InSe