[PWC-MEDIA] AMOLF-persbericht 'wiskunde op lichtsnelheid'

  • From: Communications AMOLF <communications@xxxxxxxx>
  • To: "pwc-media@xxxxxxxxxxxxx" <pwc-media@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Mon, 16 Jan 2023 08:35:30 +0000

Wiskunde op lichtsnelheid

Onderzoekers van AMOLF, University of Pennsylvania en City University of New 
York (CUNY) hebben een nanostructuur van metamateriaal ontworpen die met behulp 
van licht wiskundige vergelijkingen kan oplossen. Hun resultaten openen nieuwe 
mogelijkheden om analoge rekentaken uit te voeren met optische 
meta-oppervlakken. AMOLF-promovendus Andrea Cordaro en zijn coauteurs 
publiceren hun werk op 12 januari 2023 in Nature Nanotechnology.

De behoefte aan efficiënt computergebruik wordt steeds groter en maakt dat 
wetenschappers uit verschillende onderzoeksgebieden op zoek zijn naar 
alternatieven voor het huidige digitale computerparadigma. "De 
verwerkingssnelheid en energie-efficiëntie van standaardelektronica zijn 
inmiddels een beperkende factor voor nieuwe toepassingen als kunstmatige 
intelligentie, machine learning, computervisie en nog veel meer", zegt Andrea 
Cordaro. "Daarom is er hernieuwde aandacht voor analoge berekeningen als 
aanvulling op traditionele, digitale architecturen."

Rekenen met lichtsnelheid
In het vakgebied optical computing gebruiken onderzoekers licht om analoge 
berekeningen uit te voeren, in tegenstelling tot digitale methoden die 
elektriciteit gebruiken. Een groot voordeel van licht is dat de berekeningen 
met veel hogere snelheden kunnen worden gedaan dan met elektronica. De snelheid 
is bijna gelijk aan de snelheid van het licht dat door zeer dunne, 
tweedimensionale nanostructuren reist, ook wel meta-oppervlakken genoemd. 
Bovendien zijn optische analoge berekeningen energiezuiniger, omdat ze geen 
warmte genereren zoals in elektronische schakelingen wel gebeurt. Dit maakt 
optical computing zeer geschikt voor toepassingen waar snelheid en 
energiezuinigheid belangrijk zijn.

"In de elektronica van zelfrijdende auto's bijvoorbeeld kost de detectie en 
verwerking van beelden veel rekentijd", zegt Cordaro. "In eerder 
artikel<https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b02477> hebben we laten zien dat 
we analoge optische systemen op een meta-oppervlak kunnen gebruiken voor de 
detectie van randen in een afbeelding. Het identificeren van de randen van 
objecten - zoals auto's, mensen enz. - is in veel toepassingen de eerste stap 
in beeldverwerking. Door deze stap optisch uit te voeren, kan het totale 
systeem besparen op verwerkingstijd en energie."

Matrixinversies in een handomdraai
Cordaro en zijn collega's beseften dat ze meta-oppervlakken ook konden 
gebruiken om wiskundige bewerkingen uit te voeren. "Een van de meest 
voorkomende rekenproblemen in onderzoeksgebieden als techniek, wetenschap en 
economie, zijn de zogenaamde 'lineaire inverse problemen'. Daarbij gaat het 
meestal om matrixinversies, wiskundige bewerkingen die nogal veel tijd vergen", 
zegt hij.

Het team van onderzoekers ontwikkelde een dunne diëlektrische nanostructuur, 
een metagrating genaamd, en combineerde die met een semi-transparante spiegel 
waardoor een lichtsignaal continu terugkaatst naar het nano-oppervlak en 
daardoor steeds opnieuw wordt verstrooid. Dat komt overeen met de iteratieve 
bewerking die nodig is om de wiskundige bewerking uit te voeren.
"We gebruiken een speciale optimalisatietechniek om de vorm van het 
meta-oppervlak zo te ontwerpen dat het de gewenste matrixvermenigvuldiging 
uitvoert", zegt Cordaro. "Elk wiskundig probleem vereist een specifiek ontwerp 
voor de metagrating, maar in theorie zou je een oppervlak kunnen ontwerpen met 
daarop meerdere roosters om parallelle berekeningen uit te voeren."

De resultaten laten zien dat het mogelijk is om complexe wiskundige problemen 
en  matrixinversies op te lossen met snelheden die ver boven die van de 
typische digitale computermethoden liggen. De oplossing convergeert in ongeveer 
349 fs (d.w.z. minder dan een miljardste van een seconde), ordes van grootte 
sneller dan de kloksnelheid van een conventionele processor.
Cordaro: "We hebben een krachtige nieuwe verbinding laten zien tussen 
nanotechnologie en analoge rekentechnieken die zou kunnen leiden tot hybride 
computercircuits met optische en elektronische componenten. Nader onderzoek zou 
kunnen leiden tot het oplossen van nog complexere problemen met een snelheid en 
efficiëntie die voorheen ondenkbaar waren."


---

Voor de redactie

Contactinformatie
Albert Polman
E-mail: a.polman@xxxxxxxx<mailto:a.polman@xxxxxxxx>
Tel: 020-7547234
Referentie
Andrea 
Cordaro<https://www.nature.com/articles/s41565-022-01297-9#auth-Andrea-Cordaro>,
 Brian 
Edwards<https://www.nature.com/articles/s41565-022-01297-9#auth-Brian-Edwards>, 
Vahid 
Nikkhah<https://www.nature.com/articles/s41565-022-01297-9#auth-Vahid-Nikkhah>, 
Andrea Alù<https://www.nature.com/articles/s41565-022-01297-9#auth-Andrea-Al_>, 
Nader 
Engheta<https://www.nature.com/articles/s41565-022-01297-9#auth-Nader-Engheta
en Albert 
Polman<https://www.nature.com/articles/s41565-022-01297-9#auth-Albert-Polman>, 
Solving integral equations in free space with inverse-designed ultrathin 
optical metagratings, Nature Nanotechnology, 12 januari (2023). 
https://www.nature.com/articles/s41565-022-01297-9
Bijschrift afbeeldingen

  1.  Artist impression 'mathematics at the speed of light'
Een nanoroosterpatroon op een silicium oppervlak, gekoppeld aan een 
semi-transparante gouden spiegel kan een complexe wiskundige vergelijking 
oplossen met behulp van licht. Bron: Ella Maru-studio.


  1.  'Mathematics at the speed of light - figuur'
(Links) Een lichtsignaal dat naar een metagrating wordt gestuurd, verstrooit, 
waarna het herhaaldelijk terugkaatst via een semi-doorlaatbare spiegel en zo 
steeds opnieuw  wordt verstrooid door het nanorooster. Op deze manier is een 
metagrating in staat om wiskundige bewerkingen uit te voeren in de vorm van 
matrixvergelijkingen.
(Rechts) Scanning-elektronenmicroscopie (SEM) beeld van de metagrating met het 
in het onderzoek gebruikte patroon.


Petra Vastenhouw | Communicatie | AMOLF<http://www.amolf.nl/> &  Advanced 
Research Center for Nanolithography (ARCNL<http://www.arcnl.nl/>)| Postbus 
41883 - 1009 DB Amsterdam | Science Park 104 - 1098 XG Amsterdam | t: +31 (0)20 
754 7402 |p.vastenhouw@xxxxxxxx<mailto:p.vastenhouw@xxxxxxxx>

Volg AMOLF op: Twitter | LinkedIn
Volg ARCNL op: Twitter


Attachment: Mathematics at the speed of light_LR.jpg
Description: Mathematics at the speed of light_LR.jpg

Attachment: Mathematics at the speed of light_figure_LR.jpg
Description: Mathematics at the speed of light_figure_LR.jpg

Other related posts:

  • » [PWC-MEDIA] AMOLF-persbericht 'wiskunde op lichtsnelheid' - Communications AMOLF