지능형 파동 시스템 연구실
Intelligent Wave Systems Laboratory
연구실 소개 및 연구분야
▶ 지능형 파동 시스템 연구실은 2020년 9월 개설되었으며, 현재 광학 인공지능(Photonic Artificial Intelligence: Photonic AI)의 개발을 중·장기 목표로 하고 있습니다. 해당 연구 목표의 밑바탕으로서 (i) 두뇌와 유사한 구조적 특성을 갖는 무질서한 매질에서의 빛의 흐름을 이해하고, (ii) 외부와 에너지를 주고 받는 열린계를 이용한 뉴로모픽 단위 소자를 설계하는 연구를 수행하고 있습니다. 또한 비유클리드 공간에서의 빛의 거동 및 위상학적 특성, 상대론적 입자의 거동을 보여주는 편광 특성, 네트워크 기반 광학 매질 설계, 초고속 동작이 가능한 광학 논리소자의 설계 등 다양한 분야의 기초 및 응용 연구 수행을 계획하고 있습니다.
▶ 본 연구실의 보다 근본적인 연구 방향은 다학제적 시각을 통한, 공학 문제의 재해석 및 응용입니다. 구체적으로는 양자역학, 전자기학, 네트워크 이론, 머신러닝 등 서로 다른 연구 분야에서의 수학적/물리적 유사성을 찾고, 이를 통해 주어진 공학 문제를 다시 들여다 봄으로써 기존과는 차별화된 관점을 제시하는 연구를 수행하고자 합니다. 해당 접근 방식을 통해 전자기학 및 양자역학에 기반한 고전적 광학 연구 기법의 혁신에 그치지 않고, 확장된 자유도를 통한 성능 최적화, 새로운 소자 및 시스템의 동작 방식 제시를 목표로 합니다. 또한 연구원들이 물리학, 재료과학, 수치해석, 머신러닝, 네트워크 분야 등에 걸쳐 새로운 관점으로 문제를 다룰 수 있는 경쟁력을 갖추는 것을 목표로 합니다.
▶ 상황에 따라 변경될 수 있으나, 연구실 석/박사 학생은 전자기학 및 양자역학을 기반으로 한, 광학 기술에 대한 이론/수치해석을 기반으로 연구를 시작합니다. 해당 지식 및 경험을 토대로, 물질파, 음파, 탄성파 등 다른 파동역학, 여러 파동의 매질 내 전파(Transport), 확산(Diffusion) 및 국소화(Localization) 현상, 다양한 매질의 미세 구조 특성과 이의 네트워크적 관점을 통한 해석/설계 등을 폭넓게 연구하여, 광학 시스템에 대한 새로운 시각을 갖는 것을 목표로 합니다. 아울러 광학, 마이크로파, 음파 등의 플랫폼에서의 실험적 검증 작업 역시 수행합니다.
▶ 본 연구실의 보다 근본적인 연구 방향은 다학제적 시각을 통한, 공학 문제의 재해석 및 응용입니다. 구체적으로는 양자역학, 전자기학, 네트워크 이론, 머신러닝 등 서로 다른 연구 분야에서의 수학적/물리적 유사성을 찾고, 이를 통해 주어진 공학 문제를 다시 들여다 봄으로써 기존과는 차별화된 관점을 제시하는 연구를 수행하고자 합니다. 해당 접근 방식을 통해 전자기학 및 양자역학에 기반한 고전적 광학 연구 기법의 혁신에 그치지 않고, 확장된 자유도를 통한 성능 최적화, 새로운 소자 및 시스템의 동작 방식 제시를 목표로 합니다. 또한 연구원들이 물리학, 재료과학, 수치해석, 머신러닝, 네트워크 분야 등에 걸쳐 새로운 관점으로 문제를 다룰 수 있는 경쟁력을 갖추는 것을 목표로 합니다.
▶ 상황에 따라 변경될 수 있으나, 연구실 석/박사 학생은 전자기학 및 양자역학을 기반으로 한, 광학 기술에 대한 이론/수치해석을 기반으로 연구를 시작합니다. 해당 지식 및 경험을 토대로, 물질파, 음파, 탄성파 등 다른 파동역학, 여러 파동의 매질 내 전파(Transport), 확산(Diffusion) 및 국소화(Localization) 현상, 다양한 매질의 미세 구조 특성과 이의 네트워크적 관점을 통한 해석/설계 등을 폭넓게 연구하여, 광학 시스템에 대한 새로운 시각을 갖는 것을 목표로 합니다. 아울러 광학, 마이크로파, 음파 등의 플랫폼에서의 실험적 검증 작업 역시 수행합니다.
최근 관심분야 및 주요 연구과제
▶ Photonic AI
- Scale-Free photonic neural networks
- Photonic neurons/synapses
- Photonic activation functions
▶ AI Wave Mechanics
- Convolutional Neural Networks (CNNs) for wave-matter interactions
- Graph Neural Networks (GNNs) for wave-matter interactions
- Scale invariance in neural networks and engineered materials
▶ Disordered Photonics
- Engineered disorder in photonics
- Crystal-like spectra/scattering in disordered materials
- Scale-free materials with hub dynamics
▶ Open-System/Non-Euclidean/Topological Photonics
- Chirality, oscillation quenching, and topology in open systems
- Hyperbolic lattices and their topology & deformations
- Flat-band photonics
- Scale-Free photonic neural networks
- Photonic neurons/synapses
- Photonic activation functions
▶ AI Wave Mechanics
- Convolutional Neural Networks (CNNs) for wave-matter interactions
- Graph Neural Networks (GNNs) for wave-matter interactions
- Scale invariance in neural networks and engineered materials
▶ Disordered Photonics
- Engineered disorder in photonics
- Crystal-like spectra/scattering in disordered materials
- Scale-free materials with hub dynamics
▶ Open-System/Non-Euclidean/Topological Photonics
- Chirality, oscillation quenching, and topology in open systems
- Hyperbolic lattices and their topology & deformations
- Flat-band photonics
주요 논문/특허
[15] S. Yu* & N. Park*. Heavy tails and pruning in programmable photonic circuits for universal unitaries.
Nature Communications 14, 1853 (2023)
[14] J. Kim, D. Lee, S. Yu* & N. Park*. Unidirectional scattering with spatial homogeneity using correlated photonic time disorder.
Nature Physics 19, 726 (2023)
[13] S. Yu. Evolving scattering networks for engineering disorder.
Nature Computational Science 3, 128-138 (2023)
: Highlighted in News & Views, Nat. Comput. Sci.
: Cover Paper
[12] S. Choi, J. Kim, J. Kwak, N. Park* & S. Yu*. Topologically Protected All-Optical Memory.
Advanced Electronic Materials 8, 2200579 (2022): Cover Paper
[11] J. Kim, S. Park, S. Yu* & N. Park*. Machine-Engineered Active Disorder for Digital Photonics.
Advanced Optical Materials 10, 2102642 (2022): Cover Paper
[10] S. Yu†, C.-W. Qiu†, Y. Chong, S. Torquato* & N. Park*. Engineered Disorder in Photonics.
Nature Reviews Materials 6, 226 (2021): Invited Review Article
[09] S. Yu, X. Piao & N. Park. Machine learning identifies scale-free properties in disordered materials.
Nature Communications 11, 4842 (2020)
[08] S. Yu*, X. Piao & N. Park*. Topological Hyperbolic Lattices.
Physical Review Letters 125, 053901 (2020): Cover Paper
[07] S. Yu, X. Piao & N. Park. Neuromorphic Functions of Light in Parity‐Time‐Symmetric Systems.
Advanced Science 6, 1900771 (2019): Cover Paper
[06] S. Yu, X. Piao & N. Park. Bohmian Photonics for Independent Control of Phase and Amplitude of Waves.
Physical Review Letters 120, 193902 (2018)
[05] S. Yu, X. Piao, J. Hong & N. Park. Metadisorder for designer light in random systems.
Science Advances 2, e1501851 (2016)
[04] S. Yu†, H. S. Park†, X. Piao, B. Min & N. Park. Low-dimensional optical chirality in complex potentials.
Optica 3, 1025 (2016). Cover Paper
[03] S. Yu, X. Piao, J. Hong & N. Park. Interdimensional optical isospectrality inspired by graph networks.
Optica 3, 836 (2016)
[02] S. Yu, X. Piao, J. Hong & N. Park. Bloch-like waves in random-walk potentials based on supersymmetry.
Nature Communications 6, 8269 (2015)
[01] K. Chung†, S. Yu†, C. Heo, J. W. Shim, S. Yang, M. G. Han, H. Lee, Y. Jin, S. Y. Lee, N. Park & J. H. Shin. Flexible, Angle-Independent Structural Color Reflectors Inspired by Morpho Butterfly Wings.
Advanced Materials 24, 2375 (2012): Cover Paper, Highlighted in Nature
Nature Communications 14, 1853 (2023)
[14] J. Kim, D. Lee, S. Yu* & N. Park*. Unidirectional scattering with spatial homogeneity using correlated photonic time disorder.
Nature Physics 19, 726 (2023)
[13] S. Yu. Evolving scattering networks for engineering disorder.
Nature Computational Science 3, 128-138 (2023)
: Highlighted in News & Views, Nat. Comput. Sci.
: Cover Paper
[12] S. Choi, J. Kim, J. Kwak, N. Park* & S. Yu*. Topologically Protected All-Optical Memory.
Advanced Electronic Materials 8, 2200579 (2022): Cover Paper
[11] J. Kim, S. Park, S. Yu* & N. Park*. Machine-Engineered Active Disorder for Digital Photonics.
Advanced Optical Materials 10, 2102642 (2022): Cover Paper
[10] S. Yu†, C.-W. Qiu†, Y. Chong, S. Torquato* & N. Park*. Engineered Disorder in Photonics.
Nature Reviews Materials 6, 226 (2021): Invited Review Article
[09] S. Yu, X. Piao & N. Park. Machine learning identifies scale-free properties in disordered materials.
Nature Communications 11, 4842 (2020)
[08] S. Yu*, X. Piao & N. Park*. Topological Hyperbolic Lattices.
Physical Review Letters 125, 053901 (2020): Cover Paper
[07] S. Yu, X. Piao & N. Park. Neuromorphic Functions of Light in Parity‐Time‐Symmetric Systems.
Advanced Science 6, 1900771 (2019): Cover Paper
[06] S. Yu, X. Piao & N. Park. Bohmian Photonics for Independent Control of Phase and Amplitude of Waves.
Physical Review Letters 120, 193902 (2018)
[05] S. Yu, X. Piao, J. Hong & N. Park. Metadisorder for designer light in random systems.
Science Advances 2, e1501851 (2016)
[04] S. Yu†, H. S. Park†, X. Piao, B. Min & N. Park. Low-dimensional optical chirality in complex potentials.
Optica 3, 1025 (2016). Cover Paper
[03] S. Yu, X. Piao, J. Hong & N. Park. Interdimensional optical isospectrality inspired by graph networks.
Optica 3, 836 (2016)
[02] S. Yu, X. Piao, J. Hong & N. Park. Bloch-like waves in random-walk potentials based on supersymmetry.
Nature Communications 6, 8269 (2015)
[01] K. Chung†, S. Yu†, C. Heo, J. W. Shim, S. Yang, M. G. Han, H. Lee, Y. Jin, S. Y. Lee, N. Park & J. H. Shin. Flexible, Angle-Independent Structural Color Reflectors Inspired by Morpho Butterfly Wings.
Advanced Materials 24, 2375 (2012): Cover Paper, Highlighted in Nature
