All-optisk beregning af en gruppe af transformationer ved hjælp af et polarisationskodet diffraktivt netværk

Implementering af store lineære transformationer eller matrixberegninger spiller en central rolle i moderne informationsbehandlingssystemer. Digitale computersystemer skal gennemføre op til milliarder af matrixoperationer i sekundet for at udføre komplekse beregningsopgaver, såsom træning og inferens til dybe neurale netværk. Som et resultat kan gennemløbet af lineære transformationsberegninger direkte påvirke ydeevnen og kapaciteten af ​​de underliggende computersystemer. Disse lineære transformationer beregnes ved hjælp af digitale processorer i computere, som kan møde flaskehalse, efterhånden som størrelsen af ​​de data, der skal behandles, bliver større og større. Det er her, helt optiske beregningsmetoder potentielt kan give en løsning gennem deres parallelitet og hastighed.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Light:Science and Applications , har forskere fra University of California, Los Angeles (UCLA) demonstreret en polarisationskodet diffraktiv optisk processor, der muliggør højhastigheds- og laveffektberegning af flere lineære transformationer ved kun at bruge lysets diffraktion. Denne optiske processor anvender en række strukturerede diffraktive overflader og simple polarisatorarrays, som i fællesskab kan manipulere inputlyset og generere, ved outputplanet, resultatet af enhver ønsket lineær transformation af inputfeltet med kompleks værdi. En stor fordel ved denne helt optiske diffraktive processor i forhold til dens konventionelle elektroniske modstykker er, at den, bortset fra belysningslyset, ikke har brug for nogen computerkraft og kan skaleres op til at håndtere store inputdata ved at fremstille wide-area wafers, der beregner i parallel. Derudover fuldføres al beregning med lysets udbredelseshastighed gennem et tyndt diffraktivt volumen, hvilket gør udførelsen af ​​komplekst værdifulde lineære transformationer ekstremt hurtig.

Denne forskning blev ledet af professor Aydogan Ozcan fra Electrical and Computer Engineering Department og California NanoSystems Institute (CNSI) ved UCLA. Denne nye optiske arkitektur introducerer en polarisationskodningsmekanisme, der tillader en enkelt diffraktiv processor at udføre op til fire forskellige lineære transformationer gennem polarisationsmultipleksering af information. Ved at gøre det muligt for de strukturerede overflader at kommunikere med de polarisationselementer, der er indlejret i det diffraktive volumen, kan en enkelt diffraktiv optisk processor implicit danne flere forskellige beregningskanaler, som hver kan tilgås ved hjælp af en specifik kombination af input- og outputpolarisationstilstandene. Efter at være blevet trænet gennem datadrevne tilgange såsom deep learning, kan den diffraktive processor alt-optisk beregne en gruppe af komplekse værdisatte lineære transformationer, som kan tildeles til at udføre forskellige beregningsopgaver for forskellige polarisationskombinationer, herunder for eksempel billede klassificering, segmentering, kryptering og filtrering. Dette unikke design gør det muligt for en enkelt diffraktiv optisk processor at blive fyldt med en bred vifte af opgaver samtidigt, hvilket forbedrer multifunktionaliteten af ​​optiske informationsbehandlingssystemer.

Ifølge UCLA-forskerholdet kan deres polarisationskodede diffraktive optiske processor arbejde på forskellige dele af det elektromagnetiske spektrum på grund af dens alsidighed. Da det direkte kan behandle fase- og amplitudeinformationen for en inputscene, er dette design særligt velegnet til applikationer inden for visuel databehandling og kan bruges til at konstruere intelligente passive optiske front-ends til machine vision-systemer. Ydermere kan dette systems iboende evne til at behandle inputpolarisationsinformation fra en prøve eller scene også muliggøre dets anvendelser i polarisationsbevidst optisk billeddannelse og sensing, hvilket kan være transformativt til visse biomedicinske applikationer såsom påvisning af dobbeltbrydende krystaller i kropsvæsker . + Udforsk yderligere

Light beregner enhver ønsket lineær transformation uden en digital processor