論文の概要: SP2RINT: Spatially-Decoupled Physics-Inspired Progressive Inverse Optimization for Scalable, PDE-Constrained Meta-Optical Neural Network Training

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2505.18377v1
• Date: Fri, 23 May 2025 21:05:40 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-05-27 16:58:42.38037
• Title: SP2RINT: Spatially-Decoupled Physics-Inspired Progressive Inverse Optimization for Scalable, PDE-Constrained Meta-Optical Neural Network Training
• Title（参考訳）: SP2RINT: 拡張性・PDE制約型メタ・オプティカルニューラルネットワークトレーニングのための空間的に分離した物理インスパイアされたプログレッシブ逆最適化
• Authors: Pingchuan Ma, Ziang Yin, Qi Jing, Zhengqi Gao, Nicholas Gangi, Boyang Zhang, Tsung-Wei Huang, Zhaoran Huang, Duane S. Boning, Yu Yao, Jiaqi Gu,
• Abstract要約: DONNは光伝搬の物理を利用して効率的なアナログ計算を行い、AIや信号処理にも応用している。 PDE制約付き学習問題としてDONNトレーニングを定式化する空間的に分離されたプログレッシブトレーニングフレームワークであるSP2RINTを提案する。 SP2RINTは、シミュレーション・イン・ザ・ループのアプローチの1825倍の速さで、デジタル互換の精度を実現している。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 23.920752887898658
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: DONNs harness the physics of light propagation for efficient analog computation, with applications in AI and signal processing. Advances in nanophotonic fabrication and metasurface-based wavefront engineering have opened new pathways to realize high-capacity DONNs across various spectral regimes. Training such DONN systems to determine the metasurface structures remains challenging. Heuristic methods are fast but oversimplify metasurfaces modulation, often resulting in physically unrealizable designs and significant performance degradation. Simulation-in-the-loop training methods directly optimize a physically implementable metasurface using adjoint methods during end-to-end DONN training, but are inherently computationally prohibitive and unscalable.To address these limitations, we propose SP2RINT, a spatially decoupled, progressive training framework that formulates DONN training as a PDE-constrained learning problem. Metasurface responses are first relaxed into freely trainable transfer matrices with a banded structure. We then progressively enforce physical constraints by alternating between transfer matrix training and adjoint-based inverse design, avoiding per-iteration PDE solves while ensuring final physical realizability. To further reduce runtime, we introduce a physics-inspired, spatially decoupled inverse design strategy based on the natural locality of field interactions. This approach partitions the metasurface into independently solvable patches, enabling scalable and parallel inverse design with system-level calibration. Evaluated across diverse DONN training tasks, SP2RINT achieves digital-comparable accuracy while being 1825 times faster than simulation-in-the-loop approaches. By bridging the gap between abstract DONN models and implementable photonic hardware, SP2RINT enables scalable, high-performance training of physically realizable meta-optical neural systems.
• Abstract（参考訳）: DONNは光伝搬の物理を利用して効率的なアナログ計算を行い、AIや信号処理にも応用している。 ナノフォトニック製造と準曲面波面工学の進歩は、様々なスペクトル系にまたがる高容量DONNを実現するための新しい経路を開拓してきた。 このようなDONNシステムによる地下構造決定の訓練はいまだに困難である。 ヒューリスティック法は高速であるが、表面の変調を単純化し、しばしば物理的に実現不可能な設計と大幅な性能劣化をもたらす。 シミュレーション・イン・ザ・ループトレーニング手法は,エンド・ツー・エンドのDONNトレーニングにおいて,物理的に実装可能な準曲面を直接最適化するが,本質的には計算が禁じられ,スケールできない。 準曲面応答は、まず、帯状構造を持つ自由に訓練可能な伝達行列に緩和される。 そこで我々は,移動行列のトレーニングと随伴型逆設計を交互に行うことで,物理制約を段階的に強化し,最終的な物理実現可能性を確保しつつ,一点あたりのPDEの解消を回避する。 ランタイムをさらに削減するために,フィールド相互作用の自然な局所性に基づいた,物理に着想を得た空間的に分離された逆設計戦略を導入する。 このアプローチは、メタ曲面を独立して解決可能なパッチに分割し、システムレベルのキャリブレーションによるスケーラブルで並列な逆設計を可能にする。 SP2RINTは様々なDONNトレーニングタスクで評価され、シミュレーション・イン・ザ・ループ・アプローチの1825倍の速さでデジタル互換の精度を実現している。 抽象DONNモデルと実装可能なフォトニックハードウェアのギャップを埋めることで、SP2RINTは物理的に実現可能なメタ光学ニューラルシステムのスケーラブルで高性能なトレーニングを可能にする。

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