10-1-2023.- En la era digital actual, las tareas computacionales se han vuelto cada vez más complejas. Esto, a su vez, ha llevado a un crecimiento exponencial de la energía consumida por las computadoras digitales. Por lo tanto, es necesario desarrollar recursos de hardware que puedan realizar computación a gran escala de una manera rápida y eficiente desde el punto de vista energético.
Comunicarse a través de la luz es much más fácil que comunicarse con electricidad. La humanidad lo ha estado haciendo durante mucho tiempo, a través de tecnologías que van desde señales de fuego hasta redes de fibra óptica, porque los fotones tienen la capacidad de mover datos mucho más rápido que los electrones. Sin embargo, la luz también tiene muchos problemas frustrantes que los electrones no tienen, problemas que han impedido que la luz desplace a la electricidad en las escalas nanométricas de la informática moderna. Durante mucho tiempo, el principal impedimento para una revolución fotónica en la informática y un aumento exponencial de la velocidad de las computadoras ha sido una batalla entre el tamaño, la potencia y el calor.
En este sentido, el desarrollo de computadoras ópticas, que usan luz en lugar de electricidad para realizar cálculos, es muy prometedor. Potencialmente, pueden proporcionar una latencia más baja y un consumo de energía reducido, beneficiándose del paralelismo que tienen los sistemas ópticos. Como resultado, los investigadores han explorado varios diseños de computación óptica.
Por ejemplo, una red óptica difractiva se diseña mediante la combinación de óptica y aprendizaje profundo para realizar ópticamente tareas computacionales complejas, como la clasificación y reconstrucción de imágenes. Comprende una pila de capas difractivas estructuradas, cada una de las cuales tiene miles de neuronas características difractivas. Estas capas pasivas se utilizan para controlar las interacciones luz-materia para modular la luz de entrada y producir la salida deseada. Los investigadores entrenan la red de difracción optimizando el perfil de estas capas utilizando herramientas de aprendizaje profundo. Después de la fabricación del diseño resultante, este marco actúa como un módulo de procesamiento óptico independiente que solo requiere alimentación de una fuente de iluminación de entrada.
Hasta ahora, los investigadores han diseñado con éxito redes de difracción monocromáticas (iluminación de longitud de onda única) para implementar una operación de transformación lineal única (multiplicación de matriz). Pero, ¿es posible implementar muchas más transformaciones lineales simultáneamente? El mismo grupo de investigación de la Universidad de California en Los Angeles (UCLA) que introdujo por primera vez las redes ópticas difractivas ha abordado esta cuestión recientemente. En un estudio reciente publicado en el journal Advanced Photonics, emplearon un esquema de multiplexación de longitud de onda en una red óptica difractiva y demostraron la viabilidad de utilizar un procesador difractivo de banda ancha para realizar operaciones de transformación lineal masivamente paralelas.
El profesor del rector de la UCLA, Aydogan Ozcan, líder del grupo de investigación de la Escuela de Ingeniería Samueli, describe brevemente la arquitectura y los principios de este procesador óptico: "Un procesador óptico difractivo de banda ancha tiene campos de visión de entrada y salida con Ni y sin píxeles, respectivamente. Están conectados por sucesivas capas difractivas estructuradas, hechas de materiales de transmisión pasiva. Un grupo predeterminado de Nw longitudes de onda discretas codifica la información de entrada y salida. Cada longitud de onda está dedicada a una función objetivo única o transformación lineal de valor complejo", explica.
"Estas transformaciones de destino se pueden asignar específicamente para distintas funciones, como la clasificación y segmentación de imágenes, o se pueden dedicar a calcular diferentes operaciones de filtro convolucional o capas completamente conectadas en una red neuronal. Todas estas transformaciones lineales o funciones deseadas se ejecutan simultáneamente en el velocidad de la luz, donde cada función deseada se asigna a una longitud de onda única. Esto permite que el procesador óptico de banda ancha calcule con un rendimiento y un paralelismo extremos".
El procesador óptico logró un promedio de alrededor de 2000 transformaciones únicas que se ejecutan ópticamente en paralelo.
Con respecto a las perspectivas de este nuevo diseño informático, Ozcan dice: "Estos procesadores difractivos multiplexados de longitud de onda masivamente paralelos serán útiles para diseñar sistemas de visión artificial inteligentes de alto rendimiento y procesadores hiperespectrales, y podrían inspirar numerosas aplicaciones en varios campos, incluida la imagen biomédica, teledetección, química analítica y ciencia de los materiales".