Оптичні пристрої можна перепрограмовувати за допомогою світла

Міжнародна група дослідників під керівництвом Центру трансформованих метаоптичних систем ARC (TMOS) при Австралійському національному університеті - у співпраці з колегами з Ноттінгем Трент університету (Великобританія) та Університету Фрідріха Шіллера в Єні (Німеччина) - розробила перепрограмовувану оптичну метаповерхню.

Розробка поєднує надтонку метаповерхню із рідкими кристалами та дозволяє змінювати функціональність пристрою «на льоту» за допомогою лазерного променя без використання електродів чи фізичної переструктуризації. Результати дослідження відкривають нові перспективи для оптичних обчислень та енергоефективного штучного інтелекту.

Більшість сучасних оптичних метаповерхонь є статичними: їхні мікроскопічні кремнієві структури, що керують світлом, жорстко зафіксовані ще на етапі виготовлення. Щоб зробити пристрій гнучким, науковці оточили кремнієві елементи рідкими кристалами.

Замість традиційного керування електричним струмом дослідники використали лазерне випромінювання. Світло створює так званий оптичний обертальний момент (optical torque), який фізично повертає молекули рідких кристалів. Це змінює оптичне середовище навколо кремнієвих структур і динамічно перепрограмує спосіб взаємодії метаповерхні зі світловою хвилею. Метаповерхня при цьому слугує своєрідним підсилювачем, роблячи ефект зміщення значно вираженішим.

У ході експериментів команда продемонструвала можливість керування нелінійними оптичними процесами. За допомогою пристрою науковці перетворили невидиме інфрачервоне світло на видиме зелено-жовте за допомогою генерації третьої гармоніки.

Змінюючи кут повороту рідких кристалів лазером, дослідники змогли зміщувати резонанс метаповерхні, регулюючи інтенсивність вихідного світлового сигналу. Таким чином, лазерний промінь одночасно генерував нове світло та налаштовував параметри самого пристрою під час його роботи.

Сьогодні обробка запитів у великих мовних моделях (таких як ChatGPT чи Claude) вимагає колосальних обсягів електроенергії через передачу електричних сигналів у напівпровідникових чіпах. Заміна електрики світловими сигналами в оптичних комп'ютерах може суттєво підвищити швидкість обчислень та знизити енергоспоживання.

Розроблена технологія є особливо перспективною для оптичних нейронних мереж. Зазвичай нелінійні шари AI-мереж, які відповідають за розпізнавання складних патернів, контролюються електронікою. Можливість прямого керування нелінійним шаром за допомогою світла дозволить створювати повністю оптичні обчислювальні системи.

Наразі розробка перебуває на ранній стадії. На наступному етапі науковці планують зменшити потужність лазера, необхідну для перепрограмування пристрою, та протестувати технологію у реальних обчислювальних системах, телекомунікаціях і безмеханічних системах керування світловим променем.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI