VCU-Ingenieurprofessor hilft dabei, den Weg zu leistungsfähigerem Computing zu ebnen

30. August 2023

Ein Ingenieurprofessor der Virginia Commonwealth University wirft neues Licht auf ein jahrzehntealtes Konzept, das Fortschritte von der Landesverteidigung bis hin zu selbstfahrenden Autos und Telekommunikation vorantreiben könnte.

Nathaniel Kinsey, Ph.D., Professor für Ingenieurwissenschaften an der Fakultät für Elektrotechnik und Computertechnik der VCU, leitet eine Gruppe von Forschern, die Grenzen im optischen Rechnen und maschinellen Lernen erforschen. Mit dem Schwerpunkt Nanophotonik untersucht er die Wechselwirkung von Licht mit Materialien auf kleinsten Skalen.

Obwohl das Konzept des optischen Rechnens nicht neu ist, ließen das Interesse und die Finanzierung in den 1980er und 1990er Jahren nach, da sich die Verarbeitung von Siliziumchips als kostengünstiger erwies. Doch die jüngsten Verlangsamungen bei der Skalierung siliziumbasierter Technologien haben die Tür für eine Überarbeitung der Methoden der Datenverarbeitung geöffnet.

„Optisches Rechnen könnte das nächste große Ding in der Computertechnologie sein“, sagte Kinsey. „Aber es gibt viele andere Konkurrenten, wie zum Beispiel Quantencomputing, für die nächste neue Präsenz im Computer-Ökosystem. Was auch immer kommt, ich denke, dass Photonik und Optik in diesen neuen Berechnungsmethoden immer stärker in den Vordergrund treten werden.“

Zunächst eine kurze Verbindung zwischen Mensch und Maschine: Ein Neuron ist eine Gehirnzelle, die Menschen beim Denken hilft, und in gleicher Weise hilft ein künstliches neuronales Netzwerk Maschinen beim Lernen – es hilft beispielsweise Siri, unsere Eingaben zu verstehen und zu beantworten. Eine der leistungsstarken Komponenten eines neuronalen Netzwerks ist das Perzeptron, und Kinsey möchte zur Herstellung dieser Komponente Licht (optische Signale) anstelle der herkömmlichen digitalen Verarbeitung (elektrische Signale) verwenden. Seine Arbeit zu „nichtlinearen optischen Perzeptronen“ wurde vom Air Force Office of Scientific Research gefördert, und das Verteidigungsministerium sieht in der optischen Datenverarbeitung einen vielversprechenden Fortschritt in der militärischen Bildgebung.

„Nehmen wir an, Sie möchten einen Panzer in einem Bild finden“, sagte Kinsey. „Mit einer Kamera die Szene aufzunehmen, das Bild in ein elektrisches Signal umzuwandeln und es durch einen herkömmlichen, auf Siliziumschaltungen basierenden Computerprozessor laufen zu lassen, erfordert viel Rechenleistung – insbesondere, wenn man versucht, höhere Pixel zu erkennen, zu übertragen und zu verarbeiten.“ Auflösungen. Mit dem nichtlinearen optischen Perzeptron versuchen wir herauszufinden, ob wir die gleichen Operationen rein im optischen Bereich durchführen können, ohne etwas in elektrische Signale umwandeln zu müssen.

„Die Eliminierung oder Minimierung der Elektronik ist seit einigen Jahren eine Art heiliger Gral der Technik“, fügte Kinsey hinzu. „Warum gibt es in Situationen, in denen Informationen natürlicherweise in Form von Licht vorliegen, nicht ein optisches Ein- und Ausgangssystem ohne Elektronik in der Mitte?“

Lineare optische Systeme, wie photonische integrierte Schaltkreise, die in der Glasfaserkommunikation üblich sind, verbrauchen nur begrenzte Energie, sind jedoch nicht für eine komplexe Bildverarbeitung geeignet. Der Bau nichtlinearer optischer Systeme würde die Funktionalität erweitern und sie ideal für Fernerkundungsplattformen auf Drohnen und Satelliten machen – beispielsweise zur Identifizierung von Panzern oder Truppenbewegungen als Teil eines Frühwarnsystems. Kinseys Forschung zielt darauf ab, die Auswirkungen des zusätzlichen Energiebedarfs beim nichtlinearen optischen Rechnen zu bestimmen.

Es gibt auch potenzielle nichtmilitärische Anwendungen, auch wenn Verbraucheranwendungen möglicherweise noch Jahre entfernt sind. In fahrerlosen Autos könnte optisches Computing LiDAR verbessern – das Lichterkennungs- und Entfernungsmessgerät, das Hindernisse aufspürt und dabei hilft, sichere Abstände einzuhalten. Für Mikrobiologen könnte die Dunkelfeldmikroskopie zur Untersuchung klinischer Proben verbessert werden. In der Telekommunikation könnten optische neuronale Netze Adressetiketten lesen und Datenpakete ohne Elektronik versenden.

Im Rahmen der Forschung arbeiteten Kinsey und Mitarbeiter des National Institute of Standards and Technology zusammen – darunter Dhruv Fomra, einer von Kinseys ehemaligen Doktoranden. Studenten der VCU – arbeiten an der Entwicklung einer neuen Art von optisch empfindlichem Material. Ihr Ziel ist es, ein Gerät zu entwickeln und herzustellen, das ein einzigartiges Material namens Epsilon-Near-Zero und eine nanostrukturierte Oberfläche kombiniert, um eine verbesserte Kontrolle über die Übertragung und Reflexion von Licht zu ermöglichen – und das mit begrenztem Energiebedarf, da das Licht gebogen und geformt wird die Oberfläche, um die Datenverarbeitung durchzuführen.

Kinsey verwendete das Beispiel, wie er an einem sonnigen Tag eine schwarze Plastikplane nach draußen stellte. Die Wärme verändert seinen Brechungsindex, ein Maß für seine Fähigkeit, Licht zu beugen.

„Das liegt daran, dass das Objekt Licht verschiedener Wellenlängen absorbiert“, sagte er. „Wenn Sie nun ein Material entwerfen, das um Größenordnungen komplexer ist als eine schwarze Kunststoffplatte, können wir diese Änderung des Brechungsindex nutzen, um die Reflexion oder Transmission einzelner Farben zu modifizieren und so den Lichtfluss mit Licht zu steuern.“

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