تُبشّر المعالجات العصبية الضوئية بحوسبة سريعة وموفرة للطاقة، لكن خطوط التأخير المدمجة تظل نقطة الاختناق. بجانب هذا العمل في الأرشيف توجد دراسات عن الفوضى في البلورات، والرنينات النفقية، وأجهزة الحوسبة الخزانية الضوئية على أبخرة السيزيوم، لكنها جميعًا إما تستخدم ملفات ألياف ضوئية ضخمة أو مخازن رقمية لا تحافظ على الطور البصري. يتميز هذا العمل بكونه الأول الذي يُدمج لولبًا سيليكونيًا سلبيًا، مصنوعًا في مصنع قياسي، في حلقة الارتجاع، ويختبره في مهام حسابية حقيقية.
في مصنع LIGENTEC، صُنعت شريحة من نيتريد السيليكون وفق منصة AN350 تحتوي على ثمانية لوالب أرخميدس متتالية. يبلغ طول كل لولب حوالي 0.22 متر، ويصل إجمالي المسار البصري إلى 1.76 متر بمعامل انكسار جماعي قدره 1.981، مما يعطي تأخيرًا محسوبًا قدره 11.63 نانوثانية. أُدخلت الشريحة في حلقة ارتجاع خزان كهروضوئي: ليزر مستمر عند 1553 نانومتر يُعدَّل بواسطة مُعدِّل كهروضوئي من نوع ماخ-تسندر، ويمر الضوء عبر اللولب، ويصل إلى كاشف ضوئي، وتعود الإشارة الكهربائية إلى المُعدِّل. العقدة اللاخطية الوحيدة تتوسع إلى 50 عصبونًا افتراضيًا عبر تعدد الإرسال الزمني بخطوة 20.48 نانوثانية. حُسّنت المعاملات الفائقة باستخدام البحث البايزي مباشرة على المنصة، بينما اقتصر التعلم على طبقة الإخراج الخطية.
عند كسب ارتجاع G = 0.0223، وهو أقل بـ40 مرة من القيم النموذجية، صنّف النظام الإشارات الجيبية والمربعة دون أخطاء (WER = 0 في جميع الطيات، وأفضل NMSE = 0.074). وصل التنبؤ بسلسلة ماكاي-غلاس الفوضوية إلى NMSE = 0.0082، وهو أسوأ بنسبة 8% فقط من أفضل نتيجة كهروضوئية عند G حوالي 1. أعطى التعرف على تسعة متحدثين بأحرف العلة اليابانية WER = 0.0898، وهو أفضل بمرتين من معالج البقع السابق وأسوأ بـ2.5 نقطة مئوية فقط من خط التأخير الرقمي عند كسب أعلى بـ23 مرة. بالإضافة إلى ذلك، قُدِّمت طريقة ترميز طور الموجة الحاملة الفرعية: السماح عمدًا بتداخل طيفي لإشارة 10 ميجاهرتز عند معدل أخذ عينات 976.6 كيلوهرتز أتاح استخدام فرق الطور بين اللولب والدليل الموجي المستقيم (0.232π) كمورد حسابي، محققًا NMSE = 0.0767 وWER = 0 دون زيادة الكسب.
يتميز هذا العمل عن الدراسات المجاورة باستخدامه لأول مرة خط تأخير متكامل سلبي من نيتريد السيليكون داخل حلقة الحاسوب الخزاني، بدلاً من الألياف أو المخزن الرقمي أو البنية الرنانة. وهذا يثبت أنه حتى مع خسائر تبلغ 23.2 ديسيبل وكسب 0.0223، يمكن الحفاظ على حسابات مفيدة، وأن معلومات الطور للمسار البصري تصبح قناة ترميز إضافية غير متاحة للمخازن الرقمية.
الخطوة التالية واضحة: تقليل الخسائر الزائدة من 23.2 ديسيبل إلى بضعة ديسيبلات، مما سيسمح برفع الكسب وربما تحسين الدقة. قد تدمج النسخ الأكثر تكاملًا الليزر والمُعدِّل والكاشف على شريحة واحدة، وتفتح طريقة ترميز الطور الطريق أمام بنى جديدة تُستخدم فيها المرحلة مباشرة لمعالجة الإشارات.
ستؤثر النتائج على تطوير مسرعات فوتونية مدمجة لمهام السلاسل الزمنية، والتعرف على الكلام، والتصنيف السريع للإشارات، خاصة حيثما تكون الأبعاد الصغيرة واستهلاك الطاقة المنخفض مهمين.
تصنيع جيل ثانٍ من الشريحة بخسائر أقل واختباره على مهام أكثر تعقيدًا، بما في ذلك معالجة الإشارات عبر الإنترنت في الزمن الحقيقي.
بالنسبة للفوتونيات، المشكلة الأساسية غير المحلولة هي دمج خطوط تأخير سلبية منخفضة الخسائر مع الحفاظ على الطور. يُظهر هذا العمل أنه حتى مع الخسائر الحالية يمكن إجراء الحسابات، لكن يبقى السؤال مفتوحًا حول قابلية التوسع القصوى لهذه الخطوط على الشريحة دون انخفاض حرج في نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
لولب أرخميدس المستخدم في الشريحة سُمي على اسم عالم الرياضيات اليوناني القديم الذي وصفه في القرن الثالث قبل الميلاد لحل مسألة تثليث الزاوية. الآن نفس الهندسة تضغط 1.76 متر من المسار البصري في بضعة ملليمترات مربعة.
فكرة الحوسبة الخزانية بالتأخير تذكّر بالشبكات العصبية "السائلة" في رواية غريغ إيغان "مدينة التباديل"، حيث تستخدم الركائز الحاسوبية تأخيرات زمنية لمعالجة المعلومات دون عناصر منطقية تقليدية.