激光网3月30日消息，基于超材料的新型架构为构建可大规模生产、可重新编程的方案提供了一个有前途的平台，这些方案可以用光来执行计算任务。
模拟计算机的想法 - 一种使用连续变量而不是零和一的设备 - 可能会唤起过时的机械，从机械表到第二次世界大战中使用的炸弹瞄准器设备。但包括人工智能在内的新兴技术可能会从这种计算方法中获益匪浅。一个有前途的方向涉及模拟计算机，它用光而不是电流处理信息。正如宾夕法尼亚大学的 Nader Engheta 在 2024 年 APS 三月会议上报道的那样，被称为超材料的复合介质为构建模拟光学计算机提供了一个强大的平台。在最近的工作中，他的团队展示了一种可以大规模生产并与硅电子集成的超材料平台，以及一种构建架构的方法，该架构可以实时重新编程以执行不同的计算任务。Engheta说，基于超材料的模拟光学计算机有朝一日可能会比传统计算机更快地执行某些任务，并且功耗更低。
超材料是通过组装许多单元制成的合成材料，每个单元都小于它们设计用于操纵的光的波长。它们可以定制以显示天然材料中没有的特性，最著名的是接近零或负折射率。这些奇特的特性可以实现独特的应用，从亚波长成像到隐形隐身。
超材料的设计灵活性激发了几个小组探索将它们转化为计算机的策略。2014年，Engheta和合作者提出了第一套提案。他们的模拟表明，超材料可以实现一系列数学运算，包括微分、积分和卷积。该方法涉及将电磁波作为输入函数，并通过与超材料的相互作用来操纵它，以便输出波对应于输入的所需数学变换。
五年后，Engheta的团队通过实验实现了这一提议。在微波波长下工作时，他们的方案涉及一块超材料，该超材料具有多个输入和输出端口，这些端口通过反馈回路中的波导连接。实验表明，对于给定的输入，设备的输出是所谓的弗雷德霍尔姆积分方程的解，该方程用于流体力学、天线设计和量子力学微扰理论等多个领域。为了选择实现所需数学的超材料结构，研究人员使用了“逆向设计”——一种解决优化问题的迭代方法。由此产生的超材料具有非平凡的“瑞士奶酪”结构，具有不同介电特性的小岛的不均匀分布 - 气孔，聚苯乙烯和微波吸收材料。
由于微波意味着笨重、不切实际的设置，几个研究小组开始将类似的概念扩展到光频率，展示了各种计算方案。这些演示中的大多数使用亚波长薄的超材料片来操纵在自由空间中传播并通过片传输的光。然而，超表面方案需要复杂的定制制造工艺，这限制了大规模生产的潜力，Engheta说。
Engheta和他的同事们现在已经开发出一种可以克服这些限制的片上平台。与具有自由空间光传播的超表面方案不同，该团队的超材料设计通过硅芯片上的结构化波导引导光。研究人员反向设计并制造了一个微米级芯片，其结构让人想起他们2019年的微波设计：一组波导将光送入和送出含有类似瑞士奶酪的超材料的扁平腔。Engheta说，这种结构可以简单地从商业铸造厂订购。与微波表亲相比，光学芯片的数学运算更简单——它将向量乘以矩阵，这种运算对神经网络等人工智能工具很有用。为了求解方程，该方案需要结合将输出与输入连接起来的反馈波导，就像在微波中所做的那样，这是该团队计划在下一代芯片中解决的工程挑战。
在光学工作的同时，Engheta正在使用较低频率的原理验证设备来推动模拟计算机的数学能力。该小组的最新结果增加了一个重要的新功能：可重构性 - 方程求解器重新编程以执行不同数学运算的能力。该方案由射频元件的 5 × 5 模块组成。可以通过控制每个元件的参数来重新配置设备。作为演示，研究人员让他们的机器解决了两个不同的问题：找到多项式系统的根和执行元结构的逆设计。这两个问题都是非平稳的，也就是说，它们需要一系列步骤，每个步骤都有不同的数学运算。
Engheta设想，这种可重构性功能最终可以延续到硅光子学芯片上。一种方法是在器件的波导顶部沉积一层“相变”材料的图案化层。当加热时，这种材料会改变其折射率，从而影响光在波导中的传播，从而影响这种传播编码的数学运算符。
Engheta说，可编程的超材料硅光子芯片将是模拟光学计算的福音，它以光速处理信息，而传统数字处理器需要执行数百万次操作所需的能量只是其中的一小部分。“在这里，光穿过波导迷宫，当它出来时，你一口气得到答案，”他说。而且由于光子与电子不同，彼此之间不相互作用，因此只需通过设备照射不同波长的光，就可以同时进行并行操作。更重要的是，这样的设备将具有隐私优势，因为它不需要将信息存储到潜在可黑客攻击的内存中的中间步骤，Engheta说。
