Métamatériaux pour le calcul optique analogique
• La physique 17, 52
Les nouvelles architectures basées sur les métamatériaux offrent une plate-forme prometteuse pour la création de schémas reprogrammables et productibles en masse qui effectuent des tâches informatiques avec la lumière.
NM Estakhri et coll., Science 363, 1333 (2019)
L’idée d’un ordinateur analogique – un appareil utilisant des variables continues plutôt que des zéros et des uns – peut évoquer des machines obsolètes, depuis les montres mécaniques jusqu’aux dispositifs de visée anti-bombes utilisés pendant la Seconde Guerre mondiale. Mais les technologies émergentes, notamment l’IA, pourraient tirer de grands avantages de cette approche informatique. Une direction prometteuse concerne les ordinateurs analogiques qui traitent les informations avec la lumière plutôt qu’avec des courants électriques. Comme l’a rapporté Nader Engheta de l’Université de Pennsylvanie lors de la réunion de mars 2024 de l’APS, les médias composites appelés métamatériaux offrent une plate-forme puissante pour la construction d’ordinateurs optiques analogiques. Dans des travaux récents, son équipe a démontré une plate-forme métamatérielle qui pourrait être produite en masse et intégrée à l’électronique au silicium. [1]ainsi qu’une approche pour construire des architectures qui pourraient être reprogrammées en temps réel pour effectuer différentes tâches informatiques [2]. Les ordinateurs optiques analogiques basés sur les métamatériaux pourraient un jour effectuer certaines tâches beaucoup plus rapidement et avec moins d’énergie que les ordinateurs conventionnels, explique Engheta.
Les métamatériaux sont des matériaux synthétiques fabriqués en assemblant de nombreuses unités dont chacune est plus petite que la longueur d’onde de la lumière qu’ils sont conçus pour manipuler. Ils peuvent être adaptés pour afficher des propriétés que l’on ne trouve pas dans les matériaux naturels, notamment un indice de réfraction proche de zéro ou négatif. Ces propriétés exotiques peuvent permettre des applications uniques, de l’imagerie sub-longueur d’onde au masquage d’invisibilité.
La flexibilité de conception des métamatériaux a inspiré plusieurs groupes à explorer des stratégies pour les transformer en machines informatiques. En 2014, Engheta et ses collaborateurs ont présenté une première série de propositions. Leurs simulations suggèrent que les métamatériaux pourraient réaliser une suite d’opérations mathématiques, notamment la différenciation, l’intégration et la convolution. L’approche consiste à prendre une onde électromagnétique comme fonction d’entrée et à la manipuler par interaction avec le métamatériau afin que l’onde de sortie corresponde à une transformation mathématique souhaitée de l’entrée.
Cinq ans plus tard, le groupe d’Engheta a réalisé cette proposition de manière expérimentale. Travaillant aux longueurs d’onde des micro-ondes, leur schéma impliquait un bloc de métamatériau avec plusieurs ports d’entrée et de sortie connectés par des guides d’ondes dans une boucle de rétroaction. Les expériences ont démontré que, pour une entrée donnée, le résultat du dispositif était la solution de ce que l’on appelle l’équation intégrale de Fredholm, qui est utilisée dans des domaines aussi divers que la mécanique des fluides, la conception d’antennes et la théorie des perturbations de la mécanique quantique. Pour choisir la structure métamatérielle réalisant les mathématiques souhaitées, les chercheurs ont utilisé la « conception inverse », une approche itérative pour résoudre les problèmes d’optimisation. Le métamatériau résultant avait une structure non triviale en « fromage suisse », avec une distribution inhomogène de petits îlots aux propriétés diélectriques différentes : trous d’air, polystyrène et matériaux absorbant les micro-ondes.
Étant donné que les micro-ondes impliquent des configurations encombrantes et peu pratiques, plusieurs groupes de recherche ont entrepris d’étendre des concepts similaires aux fréquences optiques, en démontrant divers schémas informatiques. La plupart de ces démonstrations utilisaient des feuilles de métamatériaux d’une épaisseur inférieure à la longueur d’onde, appelées métasurfaces, pour manipuler la lumière se propageant dans l’espace libre et transmise à travers la feuille. Les projets de métasurface nécessitent toutefois des processus de fabrication sophistiqués et personnalisés, ce qui limite le potentiel de production de masse, explique Engheta.
Engheta et ses collègues ont développé une plateforme sur puce qui pourrait surmonter ces limitations [1]. Contrairement aux schémas de métasurface avec propagation de la lumière en espace libre, la conception métamatérielle de l’équipe canalise la lumière à travers des guides d’ondes structurés sur une puce de silicium. Les chercheurs ont conçu et construit une puce de la taille d’un micron avec une structure qui rappelle leur conception micro-ondes de 2019 : un ensemble de guides d’ondes alimentant la lumière dans et hors d’une cavité plate contenant un métamatériau semblable à un fromage suisse. Une telle structure peut être simplement commandée auprès de fonderies commerciales, explique Engheta. Par rapport à son cousin micro-ondes, la puce optique effectue des calculs plus simples : elle multiplie un vecteur par une matrice, une opération utile pour les outils d’IA tels que les réseaux de neurones. Pour résoudre les équations, le système devra incorporer des guides d’ondes de rétroaction reliant les sorties aux entrées, comme cela a été le cas dans les micro-ondes, un défi technique que l’équipe prévoit de relever dans les puces de nouvelle génération.
Parallèlement aux travaux optiques, Engheta développe les capacités mathématiques des ordinateurs analogiques en utilisant des dispositifs de démonstration de principe à des fréquences plus basses. Le dernier résultat du groupe a ajouté une nouvelle fonctionnalité importante : la reconfigurabilité – la capacité d’un solveur d’équations à être reprogrammé pour effectuer différentes mathématiques. Le schéma consistait en un module 5 × 5 d’éléments radiofréquence (45 MHz) tels que des amplificateurs et des déphaseurs. Le dispositif pourrait être reconfiguré en contrôlant les paramètres de chacun des éléments. En guise de démonstration, les chercheurs ont demandé à leur machine de résoudre deux problèmes différents : trouver les racines d’un système de polynômes et réaliser la conception inverse d’une métastructure. Les deux problèmes sont non stationnaires, c’est-à-dire qu’ils nécessitent une séquence d’étapes avec des opérations mathématiques différentes à chaque étape.
Engheta envisage que cette fonctionnalité de reconfigurabilité pourrait à terme être transférée aux puces photoniques en silicium. Une approche pour y parvenir consisterait à déposer une couche à motifs d’un matériau à « changement de phase » sur les guides d’ondes du dispositif. Lorsqu’il est chauffé, un tel matériau modifie son indice de réfraction, affectant la propagation de la lumière dans les guides d’ondes et donc l’opérateur mathématique codé par cette propagation.
Selon Engheta, la puce silicium-photonique métamatériau programmable serait une aubaine pour l’informatique optique analogique, car elle traiterait les informations à la vitesse de la lumière avec une fraction de l’énergie nécessaire pour alimenter les millions d’opérations qu’un processeur numérique conventionnel doit effectuer pour résoudre les problèmes. les mêmes tâches. « Ici, la lumière traverse un labyrinthe de guides d’ondes et lorsqu’elle en sort, vous obtenez la réponse d’un seul coup », explique-t-il. Et comme les photons, contrairement aux électrons, n’interagissent pas les uns avec les autres, des opérations parallèles pourraient être effectuées simultanément simplement en projetant de la lumière à différentes longueurs d’onde à travers l’appareil. De plus, un tel dispositif présenterait des avantages en matière de confidentialité, car il ne nécessite pas d’étapes intermédiaires permettant de stocker des informations dans une mémoire potentiellement piratable, explique Engheta.
Matteo Rini
Matteo Rini est le rédacteur en chef de Revue de physique.
Les références
- V. Nikkhah et coll.Structures à faible contraste d’indice conçues de manière inverse sur une plate-forme photonique sur silicium pour la multiplication de matrices vectorielles, Nat. Photon. (2024).
- D. C. Tzarouchis et coll.Machine informatique analogique programmable basée sur les ondes : une métastructure qui conçoit des métastructures, arXiv : 2301.02850.
