Polacy opracowali sieć neuronową wykorzystując “masywne” fotony

273

Zespół kierowany przez Polaków jako pierwszy na świecie zbudował sieć neuronową (sztuczny neuron) opartą o “masywne” fotony – cząstki światła zachowujące się tak, jakby miały masę (tzw. polarytony). Badacze mają nadzieję, że wykorzystanie światła w obliczeniach sztucznej inteligencji jest szansą na duże oszczędności energii.

Sztuczne sieci neuronowe używane są dziś w coraz większej liczbie zastosowań: w rozpoznawaniu mowy i głosu, obrazów, w tłumaczeniu tekstów, w sterowaniu pojazdami autonomicznymi.

Ilość danych, które chcemy przetwarzać, rośnie, a moc obliczeniowa potrzebna sieciom neuronowym jest bardzo duża i osiąga już limity. Poza tym do przetwarzania tych danych potrzebna jest ogromna ilość energii. Warto zastanowić się więc nad nowymi technologiami

prof. Michał Matuszewski, Instytut Fizyki PAN

Jego zdaniem nadzieją jest tu przechodzenie z urządzeń elektronicznych – działających za sprawą elektronów – do urządzeń, które wykorzystywać będą fotony, a więc cząstki światła. “Fotony są o tyle dobre, że – w przeciwieństwie do elektronów – ich propagacja odbywa się właściwe bez strat energii” – mówi prof. Matuszewski. Zwraca uwagę, że od dawna stosuje się już tę ideę w telekomunikacji – do przesyłania informacji na duże odległości wykorzystywane są przecież światłowody, a nie elektroniczne kable. Światło jednak cały czas nie jest jeszcze stosowane w wykonywaniu obliczeń komputerowych

Fotony są o tyle trudne do wykorzystania w obliczeniach, że – w przeciwieństwie do elektronów – nie oddziałują ze sobą. A takie oddziaływania przydają się choćby do wykonywania operacji w tradycyjnych bramkach logicznych. Naukowcy z FUW – jako pierwsi na świecie – zbudowali sieć neuronową, której działanie jest oparte o fotony zachowujące się tak, jakby miały masę (kwazicząstki – tzw. polarytony). Badania ukazały się w czasopiśmie naukowym “Nano Letters” (https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04696 ).

My w swoich badaniach proponujemy rozwiązanie, które jest hybrydą elektroniki i fotoniki. Sieci neuronowe, które zaprojektowaliśmy, mają niskie zużycie energii, ale pozwalają wykonywać operacje z dużą skutecznością.

prof. Michał Matuszewski, Instytut Fizyki PAN

W badaniach Polaków fotony więzione są w tzw. mikrownękach optycznych – wpuszcza się je pomiędzy dwa supergładkie lustra.

W takich warunkach można sprawić, że zachowują się jak cząstki z bardzo małą masą. Dołożenie do tego elektronów powoduje, że one mogą ze sobą oddziaływać. Fotony takie nazywamy polarytonami. Mamy więc tam silne oddziaływanie światła z materią.

współautorka pracy dr hab. Barbara Piętka

“Światło to wykorzystaliśmy do nauki rozpoznawania wzorców” – mówi Michał Matuszewski. I opisuje, że sieć optyczną nauczono rozpoznawania odręcznie pisanych cyfr (tzw. baza MNIST) ze skutecznością 96 proc. A to znaczy, że sztuczny neuron myli odręcznie napisane cyfry tylko raz na 25 prób. A podczas wykonywania jednej operacji zużywa bardzo mało energii – zaledwie 16 pikodżuli.

To na razie prototyp. Zrealizowaliśmy sztuczny neuron, a konkretnie 1 bramkę logiczną XOR, która wykonuje operacje w sposób sekwencyjny – jedna po drugiej.

prof. Michał Matuszewski, Instytut Fizyki PAN

Pierwszy autor publikacji Rafał Mirek dodaje, że bramka XOR jest bramką wykonującą operacje logiczne. Jest ona jednak o tyle szczególna, że to bramka nieliniowa. “Na układzie, w którym wykonaliśmy naszą bramkę, możemy zrealizować dowolną inną bramkę logiczną i wykonywać przeróżne operacje logiczne” – zwraca uwagę.

Światło i materię mieszamy po to, żeby oddziaływania, które powstają w układzie, miały charakter nieliniowy. Nieliniowość ta jest niezbędna do efektywnej realizacji sztucznego neuronu.

współautor pracy Andrzej Opala

Prof. Barbara Piętka uszczegóławia, że polarytony mają – w odróżnieniu od zwykłych fotonów – bardzo małą (ale niezerową) masę. Przez to następuje tam przejście do tzw. kondensatu Bosego-Einsteina.

Mówi się, że kondensat Bosego-Einsteina to piąty stan materii: po ciele stałym, cieczy, gazie czy plazmie. To układ, w którym cząstki – a dokładniej bozony, wykazują nowe własności kwantowe. Przejście do tego stanu jest silnie nieliniowe.

prof. Barbara Piętka

Na razie eksperymenty zespołu wykonywane są w temperaturach ciekłego helu.

Pracujemy już nad układami działającymi w temperaturze pokojowej. Jesteśmy przekonani, że to da się zrobić. A jest to ważny warunek, żeby rozwiązanie mogło znaleźć praktyczne zastosowanie w technologii.

współautor badania dr inż. Krzysztof Tyszka

Naukowiec zapytany jak sobie wyobraża – w odległej przyszłości – praktyczne zastosowania fotonicznych sieci neuronowych, odpowiada: “na końcu drogi chcielibyśmy, stworzyć scalony układ fotoniczno-elektroniczny, który można byłoby np. wykorzystać jako układ sterowania samochodu autonomicznego. Takie układy mogłyby przetwarzać informacje o warunkach na drodze znacznie efektywniej niż dotychczas – przy niskim zużyciu energii, bez potrzeby łączenia się z Internetem”.


Źródło: PAP

Komentarze
Ładowanie...

W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia Państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczane w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. AkceptujęDowiedz się więcej