Le processeur optique diffractif multiplexé en longueur d’onde calcule des centaines de transformations linéaires en parallèle

Le calcul utilisant la lumière peut potentiellement fournir une latence plus faible et une consommation d’énergie réduite, bénéficiant du parallélisme des systèmes optiques. Par exemple, un seul processeur optique peut exécuter simultanément de nombreuses tâches de calcul distinctes, telles que le calcul parallèle de nombreuses transformations différentes, ce qui pourrait être utile pour de nombreuses applications, y compris l’accélération de l’inférence basée sur l’apprentissage automatique.

Un nouvel article de recherche, publié dans Photonique avancée, ont démontré la faisabilité du calcul optique massivement parallèle en utilisant un schéma de multiplexage en longueur d’onde. Dans leur publication, des chercheurs de l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA) ont présenté un processeur optique diffractif multiplexé en longueur d’onde qui permet le calcul simultané de centaines de transformations linéaires à valeurs complexes différentes à travers différents canaux de longueur d’onde.

Conçu à l’aide d’outils d’apprentissage profond, ce processeur optique diffractif est constitué de surfaces diffractives structurées, constituées de matériaux transmissifs passifs. Dans ce processeur optique, un groupe prédéterminé de longueurs d’onde discrètes code les informations d’entrée et de sortie. Chaque longueur d’onde est dédiée à une fonction cible unique ou à une transformation linéaire à valeurs complexes. Après la phase de conception basée sur l’apprentissage profond, ce processeur peut être fabriqué par impression 3D ou photolithographie, puis assemblé pour former physiquement un processeur optique, qui peut effectuer simultanément un grand nombre de transformations cibles entre son entrée et sa sortie.

Ces transformations cibles peuvent être spécifiquement affectées à des fonctions distinctes, y compris, par exemple, la classification, la segmentation, le cryptage et la reconstruction d’images, ou elles peuvent être dédiées au calcul de différentes opérations de filtrage convolutionnel ou de couches entièrement connectées dans un réseau neuronal. Grâce à cette conception multiplexée en longueur d’onde unique, toutes ces transformations linéaires ou fonctions souhaitées sont exécutées simultanément à la vitesse de la lumière, où chaque fonction souhaitée est affectée à une longueur d’onde unique, permettant au processeur optique à large bande de calculer avec un débit et un parallélisme extrêmes.

Cette conception de processeur diffractif à large bande ne nécessite aucun élément sélectif en longueur d’onde, tel que des filtres spectraux ou colorés, et est compatible avec une large gamme de matériaux aux propriétés de dispersion différentes. Les chercheurs de l’UCLA pensent que cette plate-forme et les concepts sous-jacents peuvent être utilisés pour développer des processeurs optiques hautes performances qui fonctionnent à différentes parties du spectre électromagnétique, y compris les longueurs d’onde visibles et infrarouges.

De plus, en raison de sa capacité à traiter directement les informations spectrales d’entrée, le cadre rapporté inspirera également le développement de systèmes de vision artificielle multicolores et hyperspectraux qui effectuent une inférence statistique basée sur les informations spatiales et spectrales des objets d’entrée, ce qui pourrait trouver des applications. en imagerie et détection biomédicales pour la détection et l’imagerie spécifique de substances aux caractéristiques spectrales uniques.