Inverse-designed subwavelength metamaterial 3×3 reconfigurable power distributor for high-density programmable photonic computing

داخل الرقائق السيليكونية التي تشغل عالمنا الحديث، يحل الضوء بشكل متزايد محل الكهرباء كحامل للمعلومات. هذا التحول، المعروف باسم الفتونيات (photonics)، يعد بحواسيب أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة لأن الضوء يمكنه نقل البيانات دون الحرارة والمقاومة التي تبطئ الإشارات الإلكترونية. ومع ذلك، فإن عنق زجاجة أساسي قد أعاق الإمكانات الكاملة لهذه الأنظمة البصرية؛ فلعقود من الزمن، كانت اللبنات الأساسية المستخدمة لتوجيه الضوء على الرقاقة مقتصرة على مفاتيح بسيطة يمكنها إرسال شعاع إلى مسار واحد فقط من مسارين ممكنين. هذا القيد المتمثل في الاتجاهين يجبر المهندسين على بناء شبكات معقدة ومتشعبة من المكونات لإجراء حتى العمليات الحسابية المتواضعة، مما يستهلك مساحة قيمة ويحد من كمية القدرة الحوسبية التي يمكن حشرها في رقاقة واحدة. ومع تزايد الطلب على معالجة البيانات عالية السرعة، أصبحت الحاجة إلى طريقة أكثر دمجاً ومرونة لتوجيه الضوء أمراً ملحاً.

لقد أظهر فريق من الباحثين في جامعة هواتزونغ للعلوم والتكنولوجيا الآن نهجاً جديداً يكسر حد الاتجاهين هذا. فقد ابتكروا جهازاً صغيراً قابلاً لإعادة التشكيل يمكنه تقسيم شعاع ضوئي واحد إلى ثلاثة مسارات منفصلة وتعديل كمية الضوء المرسلة إلى كل مسار حسب الرغبة. وخلافاً للأجهزة السابقة التي كانت ثابتة في سلوكها بمجرد تصنيعها، يمكن ضبط هذا المكون الجديد ديناميكياً باستخدام إشارات كهربائية. فمن خلال تطبيق جهود كهربائية محددة على عناصر تسخين دقيقة على الرقاقة، يمكن للباحثين تغيير طور الضوء الداخل إلى الجهاز، مما يحدد بدقة مقدار الطاقة التي تذهب إلى كل قناة من القنوات الثلاث. هذه القدرة تحول الجهاز من مج simply splitter (مقسم بسيط) إلى أداة قابلة للبرمجة يمكنها إجراء عمليات رياضية معقدة مباشرة بالضوء، وهي خطوة حاسمة نحو بناء حواسيب بصرية عالية الأداء وكثيفة.

يكمن سر هذا الإنجاز في استراتيجية تصميم تسمى "التصميم العكسي" (inverse design)، مقترنة بهيكل مادي يُعرف باسم "المواد الميتا" (metamaterial). فبدلاً من البدء بشكل مألوف وتعديله، استخدم الباحثون خوارزمية حاسوبية للعمل بشكل عكسي من النتيجة المنشودة؛ حيث طلبوا من الحاسوب إيجاد الترتيب الأكثر كفاءة للميزات السيليكونية المجهرية لتحقيق هدف محدد: وهو أخذ الضوء من ثلاثة مدخلات وتوزيعه على ثلاثة مخرجات بأي نسبة يختارها المستخدم. الهيكل الناتج هو مادة ميتا، وهي مادة من صنع الإنسان هندست لتمتلك خصائص لا توجد في الطبيعة. وفي هذه الحالة، يغطي الجهاز نمط من الأخاديد الدقيقة للغاية، وهي أصغر من الطول الموجي للضوء نفسه. تعمل هذه الأخاديد مثل عدسة متطورة، حيث تقوم بثني وتشكيل موجات الضوء بدقة فائقة. المساحة النشطة بأكمل ت للجهاز صغيرة جداً لدرجة أنها ستتسع براحة على طرف شعرة بشرية، حيث تشغل مساحة قدرها 4 في 1.9 ميكرومتر فقط.

لإثبات أن هذا التصميم النظري يعمل في العالم الحقيقي، قام الفريق بتصنيع الرقاقة واختبار أدائها. لقد أدخلوا الضوء إلى الجهاز وعدلوا الجهد على أقطاب التسخين لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم التحكم في المخرج. كانت النتائج مذهلة؛ فقد نجح الجهاز في توجيه الضوء إلى جميع المنافذ الثلاثة، ومن خلال تغيير الجهد، استطاع الببحاث تعديل توزيع الطاقة بشكل مستمر. تمكنوا من إرسال أي شيء من جزء ضئيل جداً من النسبة المئوية إلى كامل الشعاع تقريباً إلى أي منفذ واحد، مع توزيع الضوء المتبقي بين المسارات الأخرى. على سبيل المثال، استطاعوا توجيه 91.8% من الضوء إلى المنفذ الأوسط مع إرسال القليل جداً إلى الجوانب، أو موازنة الضوء بالتساوي تقريباً عبر المسارات الثلاثة. تم تحقيق هذا المستوى من التحكم دون فقدان كبير في قوة الإشارة، مما أثبت أن الضوء كان يتم إعادة تشكيله بكفاءة بدلاً من مجرد امتصاصه أو تشتيته.

بعيداً عن مجرد تحريك الضوء حول، أظهر الباحثون أن هذا الجهاز يمكن أن يعمل كدماغ لحاسوب بصري بسيط. لقد استخدموا الرقاقة لتصنيف أنواع مختلفة من زهور السوسن (iris) بناءً على قياساتها الفيزيائية، وهي مشكلة كلاسيكية في تعلم الآلة. ومن خلال تحويل بيانات الزهور إلى إعدادات جهد محددة للجهاز، قامت الضوء الخارج من الرقاقة تلقائياً بفرز نفسه إلى الفئة الصحيحة. وعند اختبار الجهاز على عينات من زهور السوسن، نجح في تحديد نوع الزهرة بدقة تقارب 89% من الحالات. أثبت هذا أن الأجهزة نفسها يمكنها أداء منطق الشبكة العصبية، مما يجعل القرارات بناءً على الخصائص الفيزيائية للضوء بدلاً من الكود الرقمي. كما قام الفريق بمحاكاة نسخة أكبر من الجهاز بـأربعة مداخل ومخارج. وفي هذه المحاكاة الحاسوبية، نجحت نسخة المنافذ الأربعة في التعرف على الأرقام المكتوبة بخط اليد بدقة بلغت 9%، مما يشير إلى أن التصميم يمكن توسيعه للتعامل مع مهام أكثر تعقيداً.

إن تداعيات هذا العمل تمتد إلى ما هو أبعد من تصنيف زهور السوسن. فمن خلال إثبات أن الضوء يمكن تقسيمه وضبطه إلى ثلاثة مسارات أو أكثر ضمن مثل هذا المساحة الضيقة، أزال الباحثون حاجزاً رئيسياً أمام رفع مستوى الحوسبة البصرية. تعتمد الأنظمة البصرية التقليدية على مكونات ضخمة تأخذ مساحة كبيرة تجعل من الصعب دمجها على نطاق واسع. هذا الجهاز الجديد، بحجمه فائق الصغر وقدرته على إعادة البرمجة فورياً، يوفر مساراً لحشر ملايين من وحدات المنطق هذه في رقاقة واحدة. إنه يشير إلى مستقبل حيث يمكن بناء حواسيب بصرية بكثافة ومرونة تضاهي، وربما تتفوق على، أكثر المعالجات الإلكترونية تقدماً. تؤكد الدراسة أنه من خلال الجمع بين خوارزميات التصميم المتقدمة والخصائص الفريدة للمواد الميتا، من الممكن إنشاء جيل جديد من الأدوات الفوتونية التي ليست أصغر فحسب، بل هي أيضاً أكثر ذكاءً، وقادرة على إجراء حسابات معقدة مباشرة في تدفق الضوء.