Het implementeren van grootschalige lineaire transformaties of matrixberekeningen speelt een centrale rol in moderne informatieverwerkingssystemen. Digitale computersystemen moeten tot miljarden matrixbewerkingen per seconde uitvoeren om complexe rekentaken uit te voeren, zoals training en inferentie voor diepe neurale netwerken. Als gevolg hiervan kan de doorvoer van lineaire transformatieberekeningen de prestaties en capaciteit van de onderliggende computersystemen direct beïnvloeden. Deze lineaire transformaties worden berekend met behulp van digitale processors in computers, die met knelpunten kunnen worden geconfronteerd naarmate de omvang van de te verwerken gegevens steeds groter wordt. Dit is waar volledig optische computermethoden een oplossing kunnen bieden door hun parallellisme en snelheid.

In een recente studie gepubliceerd in Light:Science and Applications , hebben onderzoekers van de University of California, Los Angeles (UCLA) een polarisatie-gecodeerde diffractieve optische processor gedemonstreerd om snelle, low-power berekening van meerdere lineaire transformaties mogelijk te maken met alleen de diffractie van licht. Deze optische processor maakt gebruik van een reeks gestructureerde diffractieve oppervlakken en eenvoudige polarisatorarrays, die gezamenlijk het ingangslicht kunnen manipuleren en op het uitgangsvlak het resultaat kunnen genereren van elke gewenste lineaire transformatie met complexe waarde van het ingangsveld. Een groot voordeel van deze volledig optische diffractieve processor ten opzichte van zijn conventionele elektronische tegenhangers is dat hij, afgezien van het verlichtingslicht, geen rekenkracht nodig heeft en kan worden opgeschaald om grote invoergegevens te verwerken door wide-area wafers te fabriceren die in parallel. Bovendien wordt alle berekening voltooid met de snelheid van de voortplanting van het licht door een dun diffractief volume, waardoor de uitvoering van complexe lineaire transformaties extreem snel wordt uitgevoerd.

Dit onderzoek werd geleid door professor Aydogan Ozcan van de afdeling Electrical and Computer Engineering en het California NanoSystems Institute (CNSI) aan de UCLA. Deze nieuwe optische architectuur introduceert een polarisatiecoderingsmechanisme waarmee een enkele diffractieve processor tot vier verschillende lineaire transformaties kan uitvoeren door polarisatiemultiplexing van informatie. Door de gestructureerde oppervlakken in staat te stellen te communiceren met de polarisatie-elementen die zijn ingebed in het diffractieve volume, kan een enkele diffractieve optische processor impliciet meerdere afzonderlijke berekeningskanalen vormen, die elk toegankelijk zijn met behulp van een specifieke combinatie van de ingangs- en uitgangspolarisatietoestanden. Na te zijn getraind door middel van gegevensgestuurde benaderingen zoals deep learning, kan de diffractieve processor volledig optisch een groep complexe lineaire transformaties berekenen, die kunnen worden toegewezen om verschillende rekentaken uit te voeren voor verschillende polarisatiecombinaties, waaronder bijvoorbeeld beeld classificatie, segmentatie, codering en filterbewerkingen. Dankzij dit unieke ontwerp kan een enkele diffractieve optische processor tegelijkertijd worden belast met een breed scala aan taken, waardoor de multifunctionaliteit van optische informatieverwerkingssystemen wordt verbeterd.

Volgens het UCLA-onderzoeksteam kan hun polarisatiegecodeerde diffractieve optische processor op verschillende delen van het elektromagnetische spectrum werken vanwege de veelzijdigheid van het ontwerp. Omdat het de fase- en amplitude-informatie van een invoerscène direct kan verwerken, is dit ontwerp met name geschikt voor toepassingen in visueel computergebruik en kan het worden gebruikt om intelligente passieve optische front-ends voor machinevisiesystemen te construeren. Bovendien zou het inherente vermogen van dit systeem om ingangspolarisatie-informatie van een monster of scène te verwerken, ook toepassingen in polarisatiebewuste optische beeldvorming en detectie mogelijk maken, wat transformatief zou kunnen zijn voor bepaalde biomedische toepassingen zoals de detectie van dubbelbrekende kristallen in lichaamsvloeistoffen . + Verder verkennen

Licht berekent elke gewenste lineaire transformatie zonder een digitale processor