La implementación de transformaciones lineales a gran escala o cálculos matriciales juega un papel fundamental en los sistemas modernos de procesamiento de información. Los sistemas informáticos digitales necesitan completar hasta miles de millones de operaciones matriciales por segundo para realizar tareas informáticas complejas, como el entrenamiento y la inferencia de redes neuronales profundas. Como resultado, el rendimiento de los cálculos de transformación lineal puede influir directamente en el rendimiento y la capacidad de los sistemas informáticos subyacentes. Estas transformaciones lineales se calculan utilizando procesadores digitales en computadoras, que pueden enfrentar cuellos de botella a medida que el tamaño de los datos a procesar crece cada vez más. Aquí es donde los métodos de computación totalmente ópticos pueden potencialmente proporcionar un remedio a través de su paralelismo y velocidad.

En un estudio reciente publicado en Light:Science and Applications , investigadores de la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA) han demostrado un procesador óptico difractivo codificado por polarización que permite el cálculo de alta velocidad y baja potencia de múltiples transformaciones lineales utilizando solo la difracción de la luz. Este procesador óptico utiliza una serie de superficies difractivas estructuradas y conjuntos de polarizadores simples, que pueden manipular conjuntamente la luz de entrada y generar, en el plano de salida, el resultado de cualquier transformación lineal de valor complejo deseada del campo de entrada. Una de las principales ventajas de este procesador de difracción completamente óptico sobre sus contrapartes electrónicas convencionales es que, a excepción de la luz de iluminación, no necesita ningún poder de cómputo y se puede escalar para manejar grandes datos de entrada mediante la fabricación de obleas de área amplia que se computan en paralela. Además, todo el cálculo se completa a la velocidad de propagación de la luz a través de un volumen de difracción delgado, lo que hace que la ejecución de transformaciones lineales de valores complejos sea extremadamente rápida.

Esta investigación fue dirigida por el profesor Aydogan Ozcan del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y el Instituto de Nanosistemas de California (CNSI) en UCLA. Esta nueva arquitectura óptica introduce un mecanismo de codificación de polarización que permite que un solo procesador difractivo realice hasta cuatro transformaciones lineales diferentes a través de la multiplexación de información por polarización. Al permitir que las superficies estructuradas se comuniquen con los elementos de polarización incrustados en el volumen de difracción, un solo procesador óptico de difracción puede formar implícitamente múltiples canales de computación distintos, a cada uno de los cuales se puede acceder usando una combinación específica de los estados de polarización de entrada y salida. Después de ser entrenado a través de enfoques basados ​​en datos como el aprendizaje profundo, el procesador de difracción puede calcular ópticamente un grupo de transformaciones lineales de valores complejos, que se pueden asignar para realizar diferentes tareas computacionales para diferentes combinaciones de polarización, que incluyen, por ejemplo, imagen operaciones de clasificación, segmentación, cifrado y filtrado. Este diseño único permite que un solo procesador óptico difractivo se cargue con una amplia gama de tareas simultáneamente, mejorando la multifuncionalidad de los sistemas de procesamiento de información óptica.

Según el equipo de investigación de la UCLA, su procesador óptico difractivo codificado por polarización puede funcionar en diferentes partes del espectro electromagnético debido a la versatilidad de su diseño. Dado que puede procesar directamente la información de fase y amplitud de una escena de entrada, este diseño es particularmente adecuado para aplicaciones en computación visual y puede usarse para construir interfaces ópticas pasivas inteligentes para sistemas de visión artificial. Además, la capacidad inherente de este sistema para procesar la información de polarización de entrada de una muestra o escena también podría permitir sus aplicaciones en detección y obtención de imágenes ópticas conscientes de la polarización, lo que podría ser transformador para ciertas aplicaciones biomédicas, como la detección de cristales birrefringentes en fluidos corporales. . + Explora más

Light calcula cualquier transformada lineal deseada sin un procesador digital