Путь к созданию новых нейросетей: самарские физики пробуют усмирять хаос внутри лазеров

В Самаре учатся укрощать световой шторм и управлять хаосом внутри лазеров
Ирина СИНЕГУБОВА

Самарские ученые делают важные шаги от управления светом на самом фундаментальном уровне к нейроморфным вычислениям, работающим на скорости света. Они проводят исследования, в которых пытаются создать инструментарий для следующего технологического прорыва и учатся управлять хаосом внутри лазеров. Подробнее – в материале «КП-Самара».

Укрощение бушующего моря
Совместное исследование провели ученые Самарского университета и самарского филиала Физического института. Основное внимание уделено хаотической динамике лазеров с широким излучателем. Отмечается, что свет в таких лазерах ведет себя подобно бушующему морю в шторм: волны непредсказуемым образом сталкиваются, образуют области затишья и очень высоких волн.

С помощью математических уравнений и численного моделирования физики смогли точно рассчитать условия, при которых лазер переходит в режим генерации хаотического выходного пучка. Это исследование должно помочь в перспективе создавать особенные лазерные системы, которые смогут работать как фотонные нейроны в миниатюрных, энергоэффективных и быстродействующих оптических нейросетях будущего.

В первой работе ученые взяли полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором и применили изящный метод усмирения хаоса: инжекция («впрыскивание») внешнего слабого излучения, когда внутрь лазера, генерирующего хаос, светят слабым точным лучом от другого лазера.

«Это похоже на то, как дирижер точными ритмичными движениями своей палочки заставляет оркестр играть не вразнобой, а слаженно. Так и в оптической системе правильно настроенное излучение от внешнего лазера заставляет мощный лазер с широким излучателем работать в такт, стабилизируя его выходной луч. Управляя параметрами «впрыскиваемого» излучения, можно получить оптические узоры правильной формы – страйпы и гексагоны», – рассказали в пресс-службе Самарского университета.

Причудливые узоры и завораживающие картинки
Другое исследование из этой же области было посвящено поведению особого класса лазеров – с чрезвычайно высокими потерями на зеркалах или вообще без зеркального резонатора. К таким системам относятся, например, перспективные нанолазеры: из-за их микроскопических размеров в них нет традиционных зеркал. Такие лазеры постоянно пульсируют.

У физиков получилось определить, при каких условиях такие синхронные колебания устойчивы и могут длиться сколько угодно времени, а при каких синхронность постепенно разрушается. Из-за нарушения синхронности колебаний между точками лазера возникают причудливые узоры и даже оптические вихри.

Однако фундаментальные исследования самарских физиков – это не просто про хаос и завораживающие картинки, а гораздо большее – протоколы управления светом на самом фундаментальном уровне и создание инструментария для следующего технологического прорыва – нейроморфных вычислений, которые смогут работать на скорости света.

Нейросети будущего
Умение управлять световым хаосом и создавать внутри лазера сложные оптические узоры пригодится в создании оптических нейронных сетей. Самарские ученые считают, что лазеры с широким излучателем, способные генерировать управляемые сложные структуры, являются идеальной «железной» основой для имитации работы мозга.

«Мозг человека обрабатывает информацию не последовательно, как компьютер, а одновременно в множестве параллельных потоков, благодаря работе нейронной сети. В таких лазерах каждая точка на выходной апертуре может играть роль аналогового нейрона, взаимодействие между ними, определяемое дифракцией света, может работать как связи между нейронами, входные данные можно подавать через тот самый метод «впрыскивания», а выходной результат – считывать с формы получившегося светового поля», – объяснили в вузе.

Такая система сможет обрабатывать информацию не последовательно, бит за битом, а мгновенно и параллельно, всей своей площадью, со скоростью света и с колоссальной энергоэффективностью. Ожидается, что этот путь приведет к созданию принципиально новых систем искусственного интеллекта для распознавания образов, принятия решений и обработки больших данных.

Источник: https://www.samara.kp.ru/daily/27750/5141407/