A programmable diffractive deep neural network based on a digital-coding metasurface array

计算机科学 编码(社会科学) 人工智能 解码方法 人工神经网络 可重构性 深度学习 电子工程 电信 工程类 数学 统计
作者
Che Liu,Qian Ma,Zhangjie Luo,Qiao Ru Hong,Qiang Xiao,Hao Chi Zhang,Long Miao,Wenming Yu,Qiang Cheng,Lianlin Li,Tie Jun Cui
出处
期刊:Nature electronics [Nature Portfolio]
卷期号:5 (2): 113-122 被引量:633
标识
DOI:10.1038/s41928-022-00719-9
摘要

The development of artificial intelligence is typically focused on computer algorithms and integrated circuits. Recently, all-optical diffractive deep neural networks have been created that are based on passive structures and can perform complicated functions designed by computer-based neural networks. However, once a passive diffractive deep neural network architecture is fabricated, its function is fixed. Here we report a programmable diffractive deep neural network that is based on a multi-layer digital-coding metasurface array. Each meta-atom on the metasurfaces is integrated with two amplifier chips and acts an active artificial neuron, providing a dynamic modulation range of 35 dB (from −22 dB to 13 dB). We show that the system, which we term a programmable artificial intelligence machine, can handle various deep learning tasks for wave sensing, including image classification, mobile communication coding–decoding and real-time multi-beam focusing. We also develop a reinforcement learning algorithm for on-site learning and a discrete optimization algorithm for digital coding. Using a multi-layer metasurface array in which each meta-atom of the metasurface acts as an active artificial neuron, a programmable diffractive deep neural network can be created that directly processes electromagnetic waves in free space for wave sensing and wireless communications.
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