Группа ученых из нескольких американских научных учреждений добилась успеха в создании наноструктурированных поверхностей, метаповерхностей, которые можно использовать для решения сложных математических уравнений при помощи света. Данное достижение является большим шагом в развитии области так называемых оптических аналоговых вычислений, которые смогут в будущем взвалить на свои плечи решение ресурсоемких задач со скоростью, недостижимой для традиционных вычислительных систем.
Оптическая аналоговая обработка отличается от традиционной аналоговой обработки тем, что в ней используется свет вместо электрического тока. За счет этого оптика способна работать гораздо быстрее, поскольку вычисления выполняются буквально со скоростью света, отражаемого от поверхностей со сложной наноразмерной структурой.
Кроме этого, оптическая аналоговая обработка будет в большинстве случаев более эффективной с точки зрения количества используемой энергии. Это делает оптическую обработку весьма подходящим методом для систем, в которых имеет важное значение одновременно, и скорость вычислений, и энергоэффективность. “К примеру, в беспилотных автомобилях-роботах задачи обнаружения объектов на видео и дальнейшая обработка требуют достаточно большой вычислительной мощности” – пишут исследователи.
Задача обнаружения краев объектов на изображении была первой, которую исследователям удалось успешно решить при помощи специальной оптической метаповерхности. Эта задача является первым шагом во многих алгоритмах обработки изображений, и выполнение этого шага оптическим способом позволяет сэкономить множество вычислительных ресурсов и энергии.
Продолжая работы в данном направлении, исследователи поняли, что аналогичным способом можно использовать метаповерхности и для решения других математических задач. Для этого метаповерхность необходимо накрыть полупрозрачным зеркалом, через которое на поверхность подается свет и производится считывание результатов вычислений.
Естественно, структура метаповерхности строго рассчитывается для выполнения какой-либо одной математической задачи или уравнения. Но вполне возможно создать поверхности с несколькими параллельными структурами, при помощи которым можно будет решать системы линейных или даже интегральных уравнений.
Кому-то может показаться, что изготавливать каждый раз заказную матрицу метаповерхности для решения лишь одной математической задачи является чистым расточительством. Однако, скорость работы такого вычислителя оправдывает это, к примеру, результаты вычислений задачи универсальной матричной инверсии выдаются спустя 349 фемтосекунд после подачи исходных данных. То есть сами вычисления производятся со скоростью буквально недостижимой для традиционных вычислительных систем.
“Мы продемонстрировали новый вид “альянса” между нанотехнологиями и аналоговыми вычислениями, который сможет стать основой гибридной оптоэлектронной вычислительной системы” – пишут исследователи, – “Развивая наши идеи далее мы, в конце концов, придем к возможности решения математических задач повышенной сложности с такой скоростью и эффективностью, которые сейчас могут показаться чем-то из разряда научной фантастики”.
