Onderzoekers van onderzoeksinstituut AMOLF in Amsterdam, City University of New York en University of Pennsylvania ontwikkelen nanostructuren van metamateriaal waarmee ze zogeheten lineaire inverse problemen kunnen oplossen. Die problemen behoren tot de meest voorkomende rekenproblemen in onderzoeksgebieden als techniek, wetenschap en economie. De nanostructuur kan deze wiskundige problemen tot 10.000 keer sneller oplossen dan conventionele elektronische componenten, aldus Andrea Cordaro, junior onderzoeker bij AMOLF. Ze publiceerden hun resultaten deze maand in Nature Nanotechnology.

De behoefte aan efficiënte rekenkracht, die veel minder energie verbruikt, wordt steeds groter. Voor sommige nieuwe toepassingen zoals kunstmatige intelligentie, machine learning en autonome voertuigen is de verwerkingssnelheid en energie-efficiëntie van klassieke elektronica inmiddels een beperkende factor. Cordaro en zijn collega’s zoeken daarom naar manieren om berekeningen met licht uit te voeren. Dat noemen we optical computing. De input is een beeld, oftewel licht. Dat licht gaat door een nanostructuur, die vervolgens de wiskundige bewerking uitvoert. De output, ook een beeld, is de oplossing van de vergelijking.

Het team ontwikkelde een dunne diëlektrische nanostructuur en combineerde die met een semi-transparante spiegel waardoor een lichtsignaal continu terugkaatst naar het nano-oppervlak en daardoor steeds opnieuw verstrooit. Dat komt overeen met de iteratieve bewerking die nodig is om een lineair invers probleem op te lossen. ‘De nanostructuur is een glazen dia met een dun laagje silicium erop’, legt Cordaro uit. ‘Dat laagje silicium heeft een nanopatroon. We ontwerpen en creëren het nanopatroon zodanig dat het de gewenste wiskundige bewerking uitvoert op het licht.’ De onderzoekers noemen het een metamateriaal, omdat het dankzij de precieze structuur verder gaat dan materialen die in de natuur voorkomen.

Cordaro’s materiaal kon een complexe wiskundige vergelijking in minder dan een nanoseconde oplossen. Een computer heeft voor dezelfde vergelijking een microseconde nodig. Cordaro: ‘Het is veel sneller en het materiaal verbruikt geen energie terwijl het de vergelijking oplost, waar elektronische componenten dat wel doen.’ Het onderzoek laat een nieuwe verbinding zien tussen nanotechnologie en analoge rekentechnieken. ‘Dit zou kunnen leiden tot hybride computercircuits met zowel optische als elektronische componenten. In een vervolgonderzoek zouden we nog complexere problemen kunnen oplossen met een snelheid en efficiënte die met enkel elektronische componenten onmogelijk is.’