Onderzoekers kunnen wiskundige vergelijkingen oplossen door licht te laten schijnen door een zogeheten meta-oppervlak van slim ontworpen silicium nanostructuren. Dat gaat sneller en energiezuiniger dan rekenen met elektronica.
Technologische ontwikkelingen, zoals kunstmatige intelligentie en beeldherkenning, worden steeds complexer, maar vergen ook steeds meer energie. De elektrische stroompjes die door elektronische schakelingen schieten ondervinden weerstand, en daarmee gaat energie verloren in de vorm van warmte.
Analoog rekenen met licht kan soelaas bieden. Het wekt minder warmte op, en is dus energiezuiniger. Bovendien rekent het veel sneller dan elektronica. Licht beweegt met bijna de lichtsnelheid door de nanostructuren die de berekeningen mogelijk maken. Dat maakt het geschikt voor toepassingen waar snelheid en efficiëntie belangrijk zijn, zoals beeldherkenning in zelfrijdende auto’s.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Meta-oppervlak
Het vakgebied optical computing, waarbij fysici manieren onderzoeken om te rekenen met licht, is dan ook in opkomst. Onderzoekers van AMOLF hebben nu, in samenwerking met de University of Pennsylvania en City University of New York, een nieuwe stap gezet, schrijven ze in Nature. Ze tonen aan dat je met licht en een slim ontworpen nanostructuur, een metamateriaal, complexe wiskundige berekeningen genaamd matrixinversies kunt uitvoeren.
Metamaterialen zijn kunstmatig ontwikkelde structuren die zich gedragen als materialen met eigenschappen die niet voorkomen bij natuurlijke materialen. Hierdoor kunnen ze bijvoorbeeld licht anders breken dan met natuurlijke materialen mogelijk is.
Beeldherkenning
Het onderzoek bouwt voort op eerder werk waarbij een deel van deze onderzoeksgroep de techniek inzette om randen van objecten te herkennen op afbeeldingen. Randen detecteren van bijvoorbeeld gebouwen en mensen, is een belangrijk onderdeel van beeldherkenning.
Hiervoor ontwikkelden ze een meta-oppervlak, dat bestaat uit siliciumstructuren van enkele tienduizendsten millimeters groot, op een doorzichtig oppervlak. Als het licht van een afbeelding daar doorheen schijnt, wordt het in dit oppervlak zo verstrooid en rond gekaatst dat er aan de andere kant een plaatje verschijnt met alleen de randen van de objecten uit de afbeelding.
Deze randendetectie-methode is sneller en efficiënter dan wanneer een computer het doet, vertelt natuurkundige Albert Polman van AMOLF. ‘In het meta-oppervlak wordt het licht van het beeld meteen verwerkt. Met een computer zouden er meerdere stappen nodig zijn.’ Het beeld moet dan eerst met een camera omgezet worden in bits, die een computer kan verwerken. Dan voert de machine de berekening uit om de randen te achterhalen, en dan pas heb je het resultaat.
Wiskundige berekeningen
Na de succesvolle randendetectie keken de onderzoekers of ze de techniek konden toepassen op complexere wiskundige berekeningen genaamd matrixinversies. Deze berekeningen worden veel gebruikt in de wetenschap, techniek en economie, bijvoorbeeld in besturingssystemen van vliegtuigen en robots, of in navigatiesystemen en computeranimaties.
Hiervoor ontwikkelden de onderzoekers een systeem dat bestaat uit een spiegel en een meta-oppervlak met een dunne siliciumstructuur. De spiegel kaatst het licht telkens terug naar het oppervlak. Dat is nodig omdat in deze berekeningen stappen herhaald moeten worden. Uit de lichtbundels die dit oplevert, is het antwoord van de vergelijking af te lezen.
De resultaten laten zien dat je matrixinversies met deze techniek in minder dan een biljoenste van een seconde kunt oplossen. Dat is sneller dan mogelijk is met de meeste computermethoden.
Meerdere meta-oppervlakken
Nu nog heeft elke rekentaak een eigen, speciaal ontworpen meta-oppervlak nodig. De techniek is daarom vooral geschikt om specifieke taken van een computer over te nemen. Om de methode flexibeler te maken, werken de onderzoekers aan een nieuwe structuur waarbij ze elektrisch de eigenschappen van het metamateriaal kunnen veranderen. Dan kun je elektrisch programmeren welke berekening er plaatsvindt.
‘De stap daarna is dat het licht zelf het metamateriaal aanpast zodat het licht zelf kan bepalen welke berekening het uitvoert’, zegt Polman. ‘Dat is de droomtoepassing, maar die is nog ver weg.’
