Durchführen komplexwertiger linearer Transformationen mithilfe räumlich inkohärenter diffraktiver optischer Netzwerke

Der Großteil der Berechnungen in modernen neuronalen Netzen umfasst lineare Operationen, z. B. Matrix-Vektor-Multiplikationen und Faltungen. Auch in der Kryptographie können lineare Operationen eine wichtige Rolle spielen. Für die Durchführung hochparalleler linearer Vorgänge stehen zwar dedizierte Prozessoren wie GPUs und TPUs zur Verfügung, diese Geräte sind jedoch stromhungrig und die geringe Bandbreite der Elektronik begrenzt ihre Betriebsgeschwindigkeit immer noch. Optiken eignen sich aufgrund ihrer inhärenten Parallelität sowie der großen Bandbreite und Rechengeschwindigkeit besser für solche Operationen.

Beugende tiefe neuronale Netze (D2NN), auch bekannt als diffraktive Netze, bestehen aus einer Reihe räumlich konstruierter dünner Oberflächen und bilden eine kürzlich aufkommende optische Computerarchitektur, die in der Lage ist, Rechenaufgaben passiv mit der Geschwindigkeit der Lichtausbreitung durch ein ultradünnes Volumen auszuführen.

Diese aufgabenspezifischen rein optischen Computer werden digital entworfen, indem die räumlichen Merkmale ihrer konstituierenden Beugungsoberflächen erlernt werden. Nach diesem einmaligen Designprozess werden die optimierten Oberflächen hergestellt und zusammengebaut, um die physische Hardware des diffraktiven optischen Netzwerks zu bilden.

In ihrem Veröffentlichung In Fortschrittlicher Photonik-Nexushat ein Forscherteam unter der Leitung von Aydogan Ozcan, Kanzlerprofessor und Volgenau-Lehrstuhl für technische Innovation an der UCLA, eine Methode eingeführt, um komplexwertige lineare Operationen mit diffraktiven Netzwerken unter räumlich inkohärenter Beleuchtung durchzuführen.

Dieselbe Gruppe hatte zuvor gezeigt, dass diffraktive Netzwerke mit ausreichenden Freiheitsgraden beliebige komplexwertige lineare Transformationen mit räumlich kohärentem Licht mit vernachlässigbarem Fehler durchführen können.

Im Gegensatz dazu können diese Netzwerke bei räumlich inkohärentem Licht beliebige lineare Transformationen der optischen Eingangsintensitäten durchführen, wenn die Matrixelemente, die die Transformation definieren, real und nicht negativ sind. Da räumlich inkohärente Beleuchtungsquellen häufiger vorkommen und leichter zugänglich sind, besteht ein wachsender Bedarf an räumlich inkohärenten Beugungsprozessoren, um Daten zu verarbeiten, die über nicht-negative Werte hinausgehen.

Durch die Integration von Vorverarbeitungs- und Nachverarbeitungsschritten zur Darstellung komplexer Zahlen durch einen Satz nicht negativer reeller Zahlen haben UCLA-Forscher die Verarbeitungsleistung räumlich inkohärenter diffraktiver Netzwerke auf den Bereich komplexer Zahlen erweitert.

Sie zeigten, dass solche inkohärenten diffraktiven Prozessoren so konzipiert werden können, dass sie eine beliebige komplexwertige lineare Transformation mit vernachlässigbarem Fehler durchführen können, wenn im Design eine ausreichende Anzahl optimierbarer phasenspezifischer diffraktiver Merkmale vorhanden ist, die mit den Abmessungen des Eingabe- und Ausgabekomplexes skaliert werden Vektorräume.

Die Forscher demonstrierten die Anwendung dieses neuartigen Schemas durch Ver- und Entschlüsselung komplexwertiger Bilder mithilfe räumlich inkohärenter diffraktiver Netzwerke. Abgesehen von der visuellen Bildverschlüsselung könnten solche räumlich inkohärenten diffraktiven Prozessoren auch in anderen Anwendungen nützlich sein, z. B. in autonomen Fahrzeugen für die ultraschnelle und stromsparende Verarbeitung natürlicher Szenen.