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.
- Порой "виксели" начинают генерировать не то, что обычно ожидается, - вместо сфокусированного луча возникает сильно расходящийся пучок, это называется хаотической динамикой. Мы выявили и рассчитали параметры, при которых это происходит и каким именно образом это происходит - для этого должно возникнуть определенное стечение обстоятельств. Кроме того, в этом состоянии хаотической динамики лазеры могут образовывать сложные упорядоченные пространственно-временные структуры, своего рода оптические "узоры", и мы также рассчитали условия, при которых это происходит, и какие именно структуры возникают в лазерном луче. То есть, зная теперь, как это все образуется и от чего зависит, мы получаем возможность этим управлять, - подчеркнул Антон Кренц.
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.
И еще один интересный момент исследования: в ходе расчетов и моделирования ученые выявили две закономерности, два оптических "узора", которые при определенных условиях образуются в хаотической динамике "викселей" - это модулированные стоячие волны и оптические вихри со спиральной фазовой структурой. По словам астрофизиков, точно такие же "узоры" можно наблюдать и на видимой поверхности Солнца – солнечной фотосфере. Они то появляются, то исчезают. Эти солнечные "узоры" состоят из конвекционных ячеек, называемых гранулами. Столбы перегретой плазмы диаметром в среднем около тысячи километров поднимаются на поверхность, остывают при подъеме и затем опускаются в промежутках между гранулами. Конечно же, вряд ли можно даже в шутку представить Солнце в виде гигантской оптической нейросети на мощных широкоапертурных лазерах, однако совпадение "узоров" достаточно интересное, хоть и вполне объяснимое, считают ученые.
Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий. Еще больше информации об исследованиях ученых университета - на сайте проекта "Одержимы наукой".
