Самарские физики рассчитали, как "превратить" лучи лазера в фотонные нейроны

Самарские физики рассчитали, как "превратить" лучи лазера в фотонные нейроны

Результаты исследования могут помочь в создании высокоэффективных оптических нейросетей следующего поколения. Ученые Самарского университета им. Королёва и Самарского филиала Физического института им. П.Н. Лебедева РАН провели совместное исследование, посвященное выявлению закономерностей в хаотической динамике лазерных лучей. С помощью математических уравнений и численного моделирования физики точно рассчитали условия, при которых луч лазера внезапно меняет совершенно определенным образом свою внутреннюю структуру, привнося в хаотическую динамику луча строгую и сложную упорядоченность. Результаты данного исследования позволят в перспективе создавать особые нанолазеры, которые смогут работать как фотонные нейроны в миниатюрных оптических нейросетях будущего.

Исследование проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках проектов государственного задания образовательным и исследовательским институтам. Итоги научных изысканий отражены в статье, опубликованной в авторитетном международном журнале "Journal of the Optical Society of America B".

"Во всем мире сейчас активно ведется разработка новых, более эффективных систем искусственного интеллекта. Для развития в этой сфере, безусловно, потребуются новые технические решения, и одним из таких многообещающих решений может стать разработка нейроморфных, то есть подобных мозгу, процессоров, создаваемых на платформе фотоники в виде комплекса оптических нейросетей. Наша научная группа изучает перспективы использования в таких нейросетях одной из разновидностей лазеров – так называемого VCSEL ("виксель"). Этот диодный полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором излучает свет по-другому, чем обычные лазерные диоды, и, как показывают полученные данные, он обладает свойствами, подходящими для применения таких лазеров в качестве фотонных нейронов",– рассказал один из авторов исследования Антон Кренц, доцент кафедры физики, старший научный сотрудник Научно-образовательного центра физики неравновесных открытых систем Самарского университета им. Королёва, научный сотрудник теоретического сектора Самарского филиала Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

"Виксели" успешно применяются сейчас в сфере телекоммуникаций, их используют, например, для высокоскоростной передачи данных. Для работы в качестве фотонных нейронов пригодится их широкоапертурность – возможность формировать широкий пучок. То есть вместо узкого сфокусированного луча они могут генерировать расходящийся, расплывчатый пучок, проявляющий, как говорят ученые, хаотическую динамику. Это примерно можно сравнить с тем, как льется струя воды из крана на кухне без прикрученной на кран насадки-аэратора: вместо упорядоченных тонких струек вода льется сплошным хаотическим потоком, который то и дело может менять свою форму, создавая завихрения и рассыпаясь брызгами.

Луч широкоапертурного "викселя" состоит из множества тоненьких лучей, взаимодействующих друг с другом в реальном времени, как настоящие нервные клетки – нейроны – в мозге живых существ. Нейросеть, построенная на таких "викселях", сможет обрабатывать информацию всей своей площадью со скоростью света и с колоссальной энергоэффективностью. Это путь к созданию принципиально новых систем искусственного интеллекта для распознавания образов, принятия решений и обработки больших данных.

"Возможность управлять хаотической динамикой "викселей" позволит разрабатывать на их основе нанолазеры – полупроводниковые устройства размерами в несколько сотен нанометров, которые могут найти широкое применение в самых различных сферах, например, в медицине, телекоммуникациях, но прежде всего в области технологий систем искусственного интеллекта. На основе таких фотонных нейронов можно будет создавать миниатюрные оптические нейронные сети нового поколения – скоростные и энергоэффективные, схожие по устройству с мозгом живых существ", – отметил Антон Кренц.

Фото Самарский университет

Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий. Еще больше информации об исследованиях ученых университета – на сайте проекта "Одержимы наукой".

Источник: https://www.niasam.ru/science/samarskie-fiziki-rasschitali-kak-prevratit-luchi-lazera-v-fotonnye-nejrony-260636.html