Vědci využívají světlo k tvorbě zvukových vln v optickém vláknu

Foto: LONG HUY DA/Tiskový zdroj

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.

Foto: Výzkumná skupina doktorky Stillerové, MPL/Tiskový zdroj

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.

Foto: Susanne Viezens, MPL/Tiskový zdroj

„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.