I en ny tidning publicerad i Ljus:Vetenskap och tillämpningar , en grupp ledd av professor Andrea Fratalocchi från Primalight Laboratory of the Computer, Avdelningen för elektriska och matematiska vetenskaper och teknik (CEMSE), King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Saudiarabien, introducerade en ny patenterad, skalbar plattoptikteknik tillverkad med billiga halvledare.

Den KAUST-designade tekniken utnyttjar en tidigare okänt aspekt av optiska nanoresonatorer, som har visat sig ha ett fysiskt lager som är helt likvärdigt med ett feed-forward djupt neuralt nätverk.

"Vad vi har uppnått, " förklarar Fratalocchi, "är en teknisk process för att täcka plana ytor, som i optisk jargong kallas 'platt optik, ' med 'fysiska' neurala enheter som kan bearbeta ljus som ett neuralt nätverk gör med en elektrisk signal."

Denna innovativa platta optik uppnår verkningsgrad nära enhet (upp till 99 %) i det synliga området i ultratunna ytor, som ger bredband och vektoriell ljusstyrning i både transmission och reflektion med önskad vågfrontsform. Dessutom, den nanoformade kiselytan är ultratunn (60 nanometer tjock, 1 nm=1/1000000 av 1 mm) och kan anpassas på flexibla ytor.

Programmet som används för att designa nanoytan körs på KAUSTs Shaheen-II superdator, en Cray XC40 som levererar över 7,2 Pflop/s av teoretisk toppprestanda, och genomförs med programvaran Autonomous Learning Framework for Rule-based Evolutionary Design utvecklad av Fratalocchi och hans team.

"Vi har utvecklat ett program som använder artificiell intelligens för att designa nanoresonatorerna. Algoritmen fungerar med evolutionära tekniker:i enkla termer, Algoritmen kan träna sig själv och förbättrar sina resultat efter varje cykel för att producera ytor med ökande effektivitet varje gång den körs. I vår artikel, vi visade experimentella komponenter med bättre prestanda än den nuvarande tekniken inom plattoptik eller från kommersiella enheter tillgängliga från ledande företag, som Thorlabs och Newport."

KAUSTs forskargrupp planerar för närvarande att använda platt optik för att utveckla nya platta enheter som kan revolutionera äldre teknologier baserade på bulkoptik. Bland innovationerna, Fratalocchi och hans team bygger en kamera med mänskliga ögon, en biosensor som kan "läsa" celler infekterade med malaria och nya typer av displayer.

"Det finns verkligen oändliga applikationer, " förklarar Fratalocchi, "eftersom nästan alla befintliga mätsystem, i princip, kan ersättas med deras kostnadseffektiva, kompakta plattoptiska versioner. Vi utvecklar en statistisk inlärningsmetod som, för varje given mätuppgift, designar en motsvarande platt yta som kodar måttet till en enda optisk bild, eller logogram. Med detta tillvägagångssätt, hela fältet av avkänning och metrologi skulle kunna bli naturlig språkbehandling baserad på olinjära logogram."

"Ett av våra nuvarande projekt är en platt kamera som kan se ännu bättre än det mänskliga ögat, vilket begränsas genom att endast använda tre primära receptorer för färgseende. Vi kan också miniatyrisera vilken komponent som helst, oavsett hur skrymmande, ", tillägger Fratalocchi. "Nyckelbegreppet här är att ett neuralt nätverk är en universell approximator som kan lära sig vilken funktion som helst. Av denna anledning, vi kan träna vår platta optik för att utföra alla uppgifter, eller en sekvens av uppgifter som för närvarande utförs av elektroniska system, bara på mindre utrymme och med ljusets hastighet."

"Med rätt finansiering och resurser, avslutar Fratalocchi, "om fem till tio år, det mesta av dagens skrymmande teknik kommer att ha krympt till fickstorlek, med en liknande revolution som elektroniken upplevde i slutet av förra seklet."