Calcul non-conventionnel à l'aide de cristaux photoniques non-linéaires

Reservoir computing with nonlinear photonic crystals

• Auteur / Autrice : Arthur Amorim
• Direction : Alfredo De rossi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay

Mots clés

Mots clés libres

Optomécanique

Nanophotonique

Calcul par reservoir

Cristaux photoniques

Traitement optique du signal

Optomechanics

Nanophotonics

Reservoir computing

Photonic crystal

Optical signal processing

Résumé

Le calcul numérique est universel, il peut évaluer n'importe quelle formule. Cependant son efficience peut être problématique pour certaines tâches comme la reconnaissance de motif, les problèmes d'optimisation et l'analyse de graphes. Des calculs inefficients conduisent à des latences et consommations d'énergies trop importantes. Ces considérations ont stimulé de la recherche dans divers domaines de calcul non-conventionnel ; nombre d'entre eux ont comme stratégie commune de traduire un algorithme spécifique mais pertinent en un système physique et les lois auxquelles il obéit, notamment en physique quantique. Nous nous concentrerons sur l'analyse du potentiel de deux dispositifs photonique nanoscopiques pour le calcul non-conventionnel. Tous deux sont basés sur les cristaux photoniques : l'oscillateur optomécanique [1] et l'oscillateur paramétrique optique récemment développé [2]. Ces deux technologies issues de la collaboration entre le C2N et TRT, permettent d'opérer avec un coût énergétique ultra-faible (10 à 100 µW) ; et grâce à leur très petite empreinte (< 20 µm), elles pourraient répondre à l'important problème de passage à l'échelle car elles peuvent être arrangées en grand nombre sur une puce photonique avec une consommation énergétique totale faible. Dès lors, il est opportun et pertinent de répondre à la question de l'adéquation de ces technologies pour l'implémentation de paradigmes de calcul non-conventionnel comme le « reservoir computing » et le « gaussian boson sampling » . Plus précisémment, nous étudierons deux tâches différentes : la classification de signaux modulés à bande étroite à l'aide d'un « réservoir » récurrent formé d'un oscillateur optomécanique avec rétroaction ; et « l'échantillonnage de bosons gaussiens » à l'aide d'un ensemble de oscillateurs paramétriques optiques en cristaux photoniques comme source d'états comprimés du vide. L'analyse théorique guidera le design des expériences. Les buts principaux sont : 1) la mise en évidence expérimentale de la classification de signal en utilisant un cristal optomécanique, 2) l'analyse de l'extensibilité à des systèmes plus grands, 3) l'étude du gaussian boson sampling. Cette thèse sera une collaboration entre TRT et le C2N : l'étudiant sera encadré par Alfredo de Rossi et Sylvain Combrié à TRT, Rémy Braive et Kamel Bencheikh au C2N et Fabrice Raineri au C2N et à l'Université Côte d'Azur. Références : [1] Ghorbel, Inès, et al. “Optomechanical gigahertz oscillator made of a two photon absorption free piezoelectric III/V semiconductor.” APL Photonics 4.11 (2019): 116103. [2] Marty, et al. “Photonic Crystal Parametric Oscillator”, Nature Photonics, 2021.

Digital computing is universal, it can evaluate any formula, yet efficiency may be problematic in some tasks, for instance pattern identification, optimization problems and graph analysis. Inefficient computing translates into excessive latency and energy consumption. These concerns have stimulated research in various areas of non-classical computing, many of which have in common the mapping of some specific but relevant algorithm to physical laws and systems, including in quantum physics. The focus here is analyzing the potential for non-classical computing of two nanoscale photonic devices, both based on photonic crystals: the optomechanical oscillator [1] and the recently introduced optical parametric oscillator [2]. These two technologies, both resulting from the partnership between C2N and TRT, enable operation with ultra-low power budget (10 µW to 100 µW) and, owing to their very small footprint (< 20 µm), may address the all-important issue of scaling, because a large number of them can be packed in a compact photonic chip with small overall energy budget. Therefore, it is timely and relevant to address the question of whether these new technologies are suitable for implementing emerging non-conventional computing paradigms such as “reservoir computing” and “gaussian boson sampling”. More precisely, we will study two different tasks: the classification of time-dependent, narrow bandwidth signals, using recurrent reservoir formed by an optomechanical oscillator with feedback, and gaussian boson sampling using an array of photonic crystal parametric oscillators as sources of squeezed vacuum states. The theoretical analysis will guide the experiments' design. The goals are 1) the experimental demonstration of signal classification using an optomechanical crystal, 2) the analysis of scalability to larger systems, 3) the assessment of gaussian boson sampling. This thesis will be a collaboration between TRT and C2N: the student will be supervised by Alfredo De Rossi and Sylvain Combrié at TRT, Rémy Braive, Kamel Bencheikh at C2N and Fabrice Raineri at C2N and Université Côte d'Azur. References: [1] Ghorbel, Inès, et al. “Optomechanical gigahertz oscillator made of a two photon absorption free piezoelectric III/V semiconductor.” APL Photonics 4.11 (2019): 116103. [2] Marty, et al. “Photonic Crystal Parametric Oscillator”, Nature Photonics, 2021.