Metapovrch, zrcadlo a výpočty s maticemi. Rychlost řádově překonává taktovací frekvenci běžného procesoru.
Výzkumníci z nizozemského fyzikálního ústavu AMOLF, University of Pennsylvania a City University of New York vytvořili nanostrukturovaný povrch, který je schopen řešit rovnice pomocí světla. Práce publikovaná v Natute Nanotechnology má nabídnout možnosti analogových výpočtů založených na optických metapovrších (metapovrchy, respektive metamateirály, mají speciální, v přírodě se nevyskytující vlastnost, např. záporný index lomu).
Výhodou těchto optických výpočtů je stejně v případě digitálních optických systémů jejich vysoká rychlost, která mnohonásobně předčí klasickou elektroniku. Navíc může být analogový optický systém i mnohem energeticky účinnější, teplo zde vzniká jinak než v elektronických obvodech. Obecně tudíž možnost využití nové techniky představují především vysoce výkonné výpočty. Hlavní autor studie Andrea Cordaro z AMOLF zmiňuje v této souvislosti samořízené automobily, kde detekce a zpracování obrazu zabírá spoustu výpočetního času. Již ve starší studii vědci ukázali, jak lze metapovrch využít při optickém analogovém výpočtu k rychlé detekci hran objektů, což představuje v řadě aplikací při zpracování obrazu první krok. Nyní se záběr rozšiřuje na využití metapovrchů k provádění dalších, obecnějších matematických operací. Tzv. lineární inverzní problémy zahrnují obvykle inverze matic, což bývá celkem pomalá operace. Tento typ problémů se přitom běžně vyskytuje v inženýrských oborech, ekonomii i samotné vědě.
Autoři studie vyvinuli tenkou dielektrickou nanostrukturu a do tohoto vzorku zabudovali poloprůhledné zrcadlo, které nepřetržitě signál posílá zpět do nanostruktury. Rozptyl světla přitom odpovídá příslušné matematické operaci s maticí (násobení). Nanostrukturní pole přitom obsahuje jednotky označované jako metagrating. Každý speciálně na míru vytvořený metagrating odpovídá konkrétnímu matematickému problému/operaci. Vědci chtějí dále zkusit zkonstruovat povrch s několika paralelními mřížkami, který by paralelně řešil několik integrálních rovnic.
Inverze matic probíhá rychlostí nesrovnatelnou se současnými digitálními metodami. Řešení konverguje za přibližně 349 fs (tj. méně než tisícimiliontinu sekundy) – stačí si srovnat to se samotnou taktovací frekvencí běžného procesoru. Výhledovým cílem je podobný princip zkusit uplatnit i na ty výpočetně nejnáročnější úlohy. Propojení mezi nanotechnologiemi a analogovými výpočty by mohlo vést také k nové třídě hybridních opticko-elektronických systémů.
Andrea Cordaro et al, Solving integral equations in free space with inverse-designed ultrathin optical metagratings, Nature Nanotechnology (2023). DOI: 10.1038/s41565-022-01297-9
Zdroj: AMOLF / Phys.org