optický kabel | Svět2000

Vědci využívají světlo k tvorbě zvukových vln v optickém vláknu

17. 4. 2024 Iveta Mauci, šéfredaktorka a licencovaná autorka vědeckých zpráv NASA, ESO, ESA, AAAS a EurekAlert 0 komentářů 5 min read 334 Zobrazení ChatGPT, neuronové sítě, optický kabel, rachlost světla, světlo, umělá inteligence, vysoká rychost, zvukové vlny

Budoucnost Fyzika-matematika Technologie UI

***UMĚLCŮV DOJEM Z OPTOAKUSTICKÉHO POČÍTÁNÍ.***

Optické neuronové sítě mohou poskytnout vysokorychlostní a velkokapacitní řešení nezbytné pro řízení náročných počítačových úloh. Využití jejich plného potenciálu však bude vyžadovat další pokroky. Jedním z problémů je rekonfigurovatelnost optických neuronových sítí.

Výzkumnému týmu vedenému doktorkou Stillerovou, Institutu Maxe Plancka pro vědu světla, ve spolupráci s výzkumnou skupinou Englund na Massachusettském technologickém institutu, se nyní podařilo položit základy pro nové rekonfigurovatelné neuromorfní stavební bloky přidáním nové dimenze fotonického strojového učení: zvukové vlny.

Vědci používají světlo k vytvoření dočasných akustických vln v optickém vláknu. Zvukové vlny generované tímto způsobem mohou například umožnit opakující se funkce v telekomunikačním optickém vláknu, což je nezbytné pro interpretaci kontextových informací, jako je jazyk.

Umělá inteligence je dnes samozřejmostí. Pomáhá nám rychleji zvládat každodenní úkoly. Jazykové modely, jako je ChatGPT, jsou schopny vytvářet přirozeně formulované texty a strukturovaně sumarizovat odstavce, čímž nám pomáhají snižovat naši administrativní režii. Nevýhodou jsou jejich enormní energetické nároky. To znamená, že jak se budou tato inteligentní zařízení vyvíjet, budou vyžadovat nová řešení pro urychlení zpracování signálu a snížení spotřeby energie.

Neuronové sítě

Neuronové sítě mají potenciál tvořit páteř umělé inteligence. Jejich vybudování jako optické neuronové sítě založené na světle místo elektrických signálů, slibuje zpracování velkých objemů dat vysokou rychlostí a s velkou energetickou účinností. Dosud se však mnoho experimentálních přístupů k implementaci optických neuronových sítí spoléhalo na pevné komponenty a stabilní zařízení. Nyní mezinárodní výzkumný tým vedený Birgit Stillerovou z Max Planckova institutu pro vědu o světle ve spolupráci s Dirkem Englundem z Technologického institute v Massachusetts, našel způsob, jak postavit rekonfigurovatelné stavební bloky založené na zvukových vlnách pro fotonické strojové učení. Pro svůj experimentální přístup vědci používají optická vlákna tenká jako vlasy, která se již celosvětově používají pro rychlé připojení k internetu.

Klíčem k vynálezu je světlem řízené vytváření putujících zvukových vln, které manipulují s následnými výpočetními kroky optické neuronové sítě. Optické informace jsou zpracovávány a korelovány s akustickými vlnami. Zvukové vlny mají mnohem delší dobu přenosu než optický informační tok. Proto zůstávají v optickém vláknu déle a mohou být postupně spojeny s každým následujícím krokem zpracování. Jedinečnost tohoto procesu spočívá v tom, že je zcela řízen světlem a nevyžaduje složité struktury a měniče.

„Jsem velmi nadšená, že jsme se pustili do této nové linie výzkumu, který je průkopníkem ve využívání zvukových vln k ovládání optických neuronových sítí. Naše zjištění výzkumu mají potenciál podnítit vývoj nových stavebních bloků pro nové architektury fotonických výpočtů.“ říká doktorka Birgit Stillerová, vedoucí výzkumné skupiny kvantové optoakustiky.

Prvním stavebním blokem experimentálně demonstrovaným týmem je rekurentní operátor, technologie široce používaná v oblasti rekurentních neuronových sítí. Umožňuje propojení řady výpočetních kroků, a proto poskytuje kontext pro každý jednotlivý provedený výpočetní krok.

Informace přenášené optickým impulsem se částečně přemění na akustickou vlnu. Informace zůstává v akustické vlně i poté, co světelný impuls opustil optické vlákno. Tato počáteční akustická vlna ovlivňuje druhý a třetí krok zpracování světla a zvuku s následujícími vstupními impulsy nesoucími jinou informaci než předchozí. V důsledku toho se akustické vlny spojují v časově oddělené dynamice a slouží jako médium šíření informace.

Využití slov v kontextu věty

V lidské řeči může například pořadí slov určovat význam věty. Například dvě věty „Rozhodla se prozkoumat výzvu“. a „Rozhodla se zpochybnit výzkum.“ sestávají ze stejných slov, ale mají různé významy. To je způsobeno různými kontexty vytvořenými pořadím slov. Tradiční plně propojená neuronová síť na počítači čelí potížím se zachycením kontextu, protože vyžaduje přístup k paměti. K překonání tohoto problému byly neuronové sítě vybaveny opakujícími se operacemi, které umožňují vnitřní paměť a jsou schopny zachytit kontextové informace.

Ačkoli tyto rekurentní neuronové sítě lze snadno implementovat digitálně, analogická implementace v optice je náročná a dosud se spoléhala na umělé dutiny, které poskytují paměť.

Vědci nyní použili zvukové vlny k implementaci opakujícího se operátora. Výsledkem je, že Optoakustický rekurentní operátor(OREO) využívá vnitřní vlastnosti optického vlnovodu bez potřeby umělého rezervoáru nebo nově vyrobených struktur. OREO nabízí tu výhodu, že je plně opticky řízen, díky čemuž je optoakustický počítač programovatelný na bázi pulsu. Výzkumníci to například poprvé použili k optické implementaci opakovaného výpadku, což je regulační technika, která se dříve používala pouze ke zvýšení výkonu digitálních rekurentních neuronových sítí. OREO bylo použito k rozlišení až 27 různých vzorů, což dokazuje jeho schopnost zpracovat kontext.

V budoucnu by použití zvukových vln pro optické neuronové sítě mohlo odemknout novou třídu optických neuromorfních počítání, které by bylo možné spontánně překonfigurovat a umožnilo by rozsáhlé výpočty v paměti v současné telekomunikační síti. Také implementace optických neuronových sítí na čipu mohou těžit z tohoto přístupu, který je implementovatelný ve fotonických vlnovodech bez dalšího elektronického řízení.

*Doktorka Birgit Stillerová a Steven Becker, Stillerova výzkumná skupina, Institutu Maxe Plancka pro vědu o světle.*

„Fotonické strojové učení může mít obrovský potenciál pro paralelní zpracování informací a energeticky efektivní operace. Přidání akustických vln může přispět k tomuto úsilí pomocí zcela opticky řízené a snadno ovladatelné sady nástrojů.“ říká doktorka Birgit Stillerová.

Článek byl upraven z tiskové zprávy AAAS, vědecká studie byla publikována v časopise Nature s volným přístupem.

Výzkumný tým poslal ohromující množství dat téměř nepochopitelnou rychlostí

2. 4. 2024 Iveta Mauci 0 komentářů 2 min read 279 Zobrazení 301 TB/s, data, E pásmo, nejrychlejší přenos, optický kabel, Spojené království, super-rychlé přenosy

Budoucnost Technologie

Je to vůbec nejrychlejší přenos dat pomocí jediného optického vlákna, který ukazuje, jak rychlý může být proces s použitím současných materiálů. Astonská univerzita ve Spojeném království, je podle zprávy regulační skupiny Ofcom, zveřejněné v září 2023, průměrná rychlost širokopásmového připojení v zemi asi 70 megabitů za sekundu (Mb/s).

V této aréně jsou světové rekordy stanoveny rychlostí 319 terabitů za sekundu (TB/s) a o rok později byly překonány rychlostí jeden petabit za sekundu (petabit je jeden milion gigabitů). Samozřejmě, že tento rekord je opět překonán jiným, který dosahuje téměř děsivých 22,9 petabitů za sekundu, a tak dále a tak dále.

Ale pro tyto super-rychlé přenosy dat použili inženýři několik optických vláken. Nyní se výzkumníkům z Astonské univerzity ve spolupráci s výzkumníky z Nokia Bell Labs v USA a Národního institutu informačních a komunikačních technologií (NICT) v Japonsku podařilo vymáčknout působivých 301 TB/s prostřednictvím jediného standardního optického kabelu.

Tohoto výkonu dosáhli použitím dalších pásem vlnových délek, které existují v kabelech z optických vláken, ale v současné době se nepoužívají pro přenos, čímž vytvořili světový rekord pro data zasílaná tímto způsobem. V současné době se přenosy optickými vlákny spoléhají na C- a L-pásma. Ale výzkumný tým přišel na způsob, jak posílat stabilní data přes koexistující E- a S-pásma pro výrazné zvýšení rychlosti.

„Taková pásma tradičně nebyla vyžadována, protože C- a L-pásma by mohla poskytnout požadovanou kapacitu pro uspokojení potřeb spotřebitelů,“ řekl výzkumník Ian Phillips. „Během posledních několika let Aston University vyvíjela optické zesilovače, které pracují v pásmu E, které v elektromagnetickém spektru sousedí s pásmem C, ale je asi třikrát širší. Před vývojem našeho zařízení nikdo nedokázal správně napodobit kanály E-pásma kontrolovaným způsobem.“

Aby se stabilizoval přenos přes tato přídavná pásma, tým vyvinul nové typy optických zesilovačů a ekvalizérů optického zisku, části vybavení, které zesilují a upravují paprsky světelných toků přenášejících data, které procházejí kabely z optických vláken. Protože jejich technika využívá již dostupnou, ale v současnosti nevyužitou, kapacitu v kabelech, vědci se domnívají, že řešení by mohlo být cenově dostupným a ekologicky šetrným způsobem, jak otevřít více pruhů na informační superdálnici.

„Růst kapacity systému využitím většího množství dostupného spektra, nejen konvenčního C-pásma, ale i dalších pásem, jako jsou L, S a nyní pásma E, může pomoci snížit náklady na poskytování této šířky pásma,“ řekl Wladek Forysiak, výzkumník.

Profesor Wladek Forysiak z Astonského institutu Fotonové technologie a Dr. Ian Phillips, byli součástí týmu, který úspěšně přenesl data. Pracovali ve spolupráci s výzkumníky z Národního institutu informačních a komunikačních technologií (NICT) v Japonsku a Nokia Bell Labs v USA.

„Je to také „zelenější řešení“ než nasazování většího množství nových vláken a kabelů, protože více využívá stávající nasazenou optickou síť, zvyšuje její kapacitu pro přenos dat a prodlužuje její životnost a komerční hodnotu.“

Práce byla podrobně popsána v článku publikovaném v Optics Letters a prezentována na Evropské konferenci o optické komunikaci (EHMK).