Оптические волокна используют свет для передачи информации. В вакууме свет распространяется со скоростью примерно 300 000 километров в секунду. Однако в материале волокна (обычно это стекло или полимер) показатель преломления больше единицы (часто около 1,5), что снижает скорость распространения света примерно до 200 000 километров в секунду — то есть около двух третей от скорости света в вакууме.
Расшифровка (декодирование) оптических сигналов требует сложных вычислительных устройств. В современных оптоволоконных системах, особенно в высокоскоростных, применяется специализированное оборудование, которое включает в себя высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи и мощные цифровые сигнальные процессоры. Такие устройства тратят много энергии и замедляют процесс.
Команда китайских инженеров под руководством Хаои Юй (Haoyi Yu) из Шанхайского научно-технического университета нашли способ устранить эту проблему. Они создали чип, который позволяет обрабатывать данные прямо внутри волокна, используя физические свойства света.
Статья по теме: В Google создали цифровую «жизнь» из цифрового «первичного бульона», которая научилась сама себя воспроизводить
Чип напоминает крошечную пластинку толщиной меньше миллиметра. Его поместили на конец оптического волокна толщиной с человеческий волос. Устройство работает как нейросеть, но не требует программного кода или электричества. Вместо этого свет, проходя через слои чипа, меняет свои свойства — так происходят вычисления.
Идею «дифракционной нейросети» предложили исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе еще в 2018 году. Китайские ученые уменьшили технологию до микроскопических размеров и впервые совместили с оптическим волокном.
Чип уже распознает изображения цифр размером с пыльцу. Для этого ему нужно в тысячу раз меньше ресурсов, чем стандартным нейросетям. Скорость обработки данных достигает триллионных долей секунды.
Устройство состоит из нескольких полимерных слоев. На каждом выгравированы микроскопические узоры, которые преломляют свет определенным образом. Когда свет проходит через слои, его волны взаимодействуют — это и есть вычисления. Чип не требует энергии: он физически преобразует свет, словно линза или призма, но с алгоритмической точностью.
Например, если через волокно передают изображение цифры «5», световые волны, отражающие эту цифру, проходят через чип. Узоры на слоях изменяют волны так, что на выходе система распознает именно «5».
Статья по теме: Новое устройство может сканировать лицо человека с расстояния сотен метров
Главное преимущество технологии — энергоэффективность. Такие чипы можно использовать в эндоскопах для мгновенной обработки изображений внутри тела без громоздких компьютеров. Их также интегрируют в квантовые фотонные системы, которые станут основой квантового интернета.
Но есть сложности. Из-за микроскопических размеров даже минимальные погрешности при производстве влияют на точность. Ученые наносят узоры на полимерные слои, затем совмещают их с волокном. Этот процесс требует ювелирной точности, и пока каждый чип уникален.
Статья по теме: Искусственный интеллект научили искать минные поля по спутниковым снимкам
Еще одна проблема — узкая специализация. Чип проектируют под конкретную задачу. Если нужно распознавать не цифры, а буквы, придется создавать новое устройство.
«Это как ключ от замка: для каждой системы нужен свой ключ», — пояснил Юй.
Несмотря на ограничения, технология открывает путь к компактным и мощным устройствам. Врачи получат эндоскопы с мгновенной диагностикой, а инженеры — компоненты для сверхбыстрого квантового интернета.
Ученые уже работают над массовым производством. По словам ученых, проблемы с точностью не станут критичными.
«Мы научились печатать микросхемы с нанометровой точностью. Сейчас задача — адаптировать эти методы для оптических нейросетей», — объяснил Юй.
Чип размером с песчинку показывает, что будущее вычислений может быть не только быстрым, но и невидимым глазу.
Научная работа опубликована в журнале Nature Photonics.