Implementering av storskaliga linjära transformationer eller matrisberäkningar spelar en central roll i moderna informationsbehandlingssystem. Digitala datorsystem behöver utföra upp till miljarder matrisoperationer per sekund för att utföra komplexa beräkningsuppgifter, såsom träning och slutledning för djupa neurala nätverk. Som ett resultat kan genomströmningen av linjära transformationsberäkningar direkt påverka prestandan och kapaciteten hos de underliggande beräkningssystemen. Dessa linjära transformationer beräknas med hjälp av digitala processorer i datorer, som kan möta flaskhalsar när storleken på data som ska behandlas blir större och större. Det är här helt optiska beräkningsmetoder potentiellt kan ge ett botemedel genom sin parallellitet och hastighet.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Light:Science and Applications , har forskare från University of California, Los Angeles (UCLA) visat en polarisationskodad diffraktiv optisk processor för att möjliggöra höghastighets- och lågeffektberäkning av flera linjära transformationer med enbart ljusets diffraktion. Denna optiska processor använder en serie strukturerade diffraktiva ytor och enkla polarisatormatriser, som gemensamt kan manipulera ingångsljuset och generera, vid utgångsplanet, resultatet av vilken önskad komplexvärderad linjär transformation av ingångsfältet som helst. En stor fördel med denna helt optiska diffraktiva processor jämfört med dess konventionella elektroniska motsvarigheter är att den, förutom belysningsljuset, inte behöver någon datorkraft och kan skalas upp för att hantera stora indata genom att tillverka bredarea wafers som beräknar i parallell. Dessutom slutförs all beräkning med ljusets hastighet genom en tunn diffraktiv volym, vilket gör utförandet av komplext värderade linjära transformationer extremt snabbt.

Denna forskning leddes av professor Aydogan Ozcan från Electrical and Computer Engineering Department och California NanoSystems Institute (CNSI) vid UCLA. Denna nya optiska arkitektur introducerar en polarisationskodningsmekanism som gör att en enda diffraktiv processor kan utföra upp till fyra olika linjära transformationer genom polarisationsmultiplexering av information. Genom att möjliggöra för de strukturerade ytorna att kommunicera med polarisationselementen inbäddade i den diffraktiva volymen, kan en enda diffraktiv optisk processor implicit bilda flera distinkta beräkningskanaler, som var och en kan nås med hjälp av en specifik kombination av ingångs- och utgångspolarisationstillstånden. Efter att ha tränats genom datadrivna tillvägagångssätt som djupinlärning kan den diffraktiva processorn helt optiskt beräkna en grupp av komplext värderade linjära transformationer, som kan tilldelas att utföra olika beräkningsuppgifter för olika polarisationskombinationer, inklusive till exempel bild klassificering, segmentering, kryptering och filtrering. Denna unika design gör att en enda diffraktiv optisk processor kan laddas med en mängd olika uppgifter samtidigt, vilket förbättrar multifunktionaliteten hos optiska informationsbehandlingssystem.

Enligt UCLA-forskarteamet kan deras polarisationskodade diffraktiva optiska processor arbeta på olika delar av det elektromagnetiska spektrumet på grund av dess mångsidighet. Eftersom den direkt kan bearbeta fas- och amplitudinformationen för en ingångsscen, är denna design särskilt lämplig för applikationer inom visuell beräkning och kan användas för att konstruera intelligenta passiva optiska front-ends för maskinseendesystem. Dessutom kan den inneboende förmågan hos detta system att bearbeta inmatad polarisationsinformation från ett prov eller en scen också möjliggöra dess tillämpningar i polarisationsmedveten optisk bildåtergivning och avkänning, vilket kan vara transformativt för vissa biomedicinska tillämpningar, såsom detektering av dubbelbrytande kristaller i kroppsvätskor . + Utforska vidare

Light beräknar vilken linjär transformation som helst utan en digital processor