A implementação de transformações lineares em larga escala ou cálculos matriciais desempenha um papel fundamental nos modernos sistemas de processamento de informações. Os sistemas de computador digital precisam concluir até bilhões de operações de matriz por segundo para realizar tarefas computacionais complexas, como treinamento e inferência para redes neurais profundas. Como resultado, a taxa de transferência de cálculos de transformação linear pode influenciar diretamente o desempenho e a capacidade dos sistemas de computação subjacentes. Essas transformações lineares são computadas usando processadores digitais em computadores, que podem enfrentar gargalos à medida que o tamanho dos dados a serem processados ​​aumenta cada vez mais. É aqui que os métodos de computação totalmente ópticos podem fornecer um remédio por meio de seu paralelismo e velocidade.
Em um estudo recente publicado em Light:Science and Applications , pesquisadores da Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA) demonstraram um processador óptico difrativo codificado por polarização para permitir computação de alta velocidade e baixo consumo de múltiplas transformações lineares usando apenas a difração da luz. Este processador óptico utiliza uma série de superfícies difrativas estruturadas e matrizes polarizadoras simples, que podem manipular conjuntamente a luz de entrada e gerar, no plano de saída, o resultado de qualquer transformação linear de valor complexo desejada do campo de entrada. Uma grande vantagem desse processador difrativo totalmente óptico sobre seus equivalentes eletrônicos convencionais é que, exceto pela luz de iluminação, ele não precisa de nenhum poder de computação e pode ser dimensionado para lidar com grandes dados de entrada fabricando wafers de área ampla que computam em paralelo. Além disso, toda a computação é concluída na velocidade de propagação da luz através de um volume difrativo fino, tornando extremamente rápida a execução de transformações lineares de valores complexos.

Esta pesquisa foi liderada pelo professor Aydogan Ozcan do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação e do California NanoSystems Institute (CNSI) da UCLA. Essa nova arquitetura óptica introduz um mecanismo de codificação de polarização que permite que um único processador difrativo execute até quatro transformações lineares diferentes por meio da multiplexação de informações por polarização. Ao permitir que as superfícies estruturadas se comuniquem com os elementos de polarização incorporados no volume difrativo, um único processador óptico difrativo pode formar implicitamente vários canais de computação distintos, cada um dos quais pode ser acessado usando uma combinação específica dos estados de polarização de entrada e saída. Depois de ser treinado por meio de abordagens orientadas a dados, como aprendizado profundo, o processador difrativo pode computar opticamente um grupo de transformações lineares de valor complexo, que podem ser atribuídas para executar diferentes tarefas computacionais para diferentes combinações de polarização, incluindo, por exemplo, imagem operações de classificação, segmentação, criptografia e filtragem. Esse design exclusivo permite que um único processador óptico difrativo seja carregado com diversas tarefas simultaneamente, aprimorando a multifuncionalidade dos sistemas ópticos de processamento de informações.

De acordo com a equipe de pesquisa da UCLA, seu processador óptico difrativo codificado por polarização pode funcionar em diferentes partes do espectro eletromagnético devido à versatilidade de seu design. Como ele pode processar diretamente as informações de fase e amplitude de uma cena de entrada, esse design é particularmente adequado para aplicações em computação visual e pode ser usado para construir front-ends ópticos passivos inteligentes para sistemas de visão de máquina. Além disso, a capacidade inerente deste sistema de processar informações de polarização de entrada de uma amostra ou cena também pode permitir suas aplicações em imagens e sensores ópticos com reconhecimento de polarização, o que pode ser transformador para certas aplicações biomédicas, como a detecção de cristais birrefringentes em fluidos corporais . + Explorar mais

Light calcula qualquer transformação linear desejada sem um processador digital