Самарские исследователи обнаружили закономерности в хаотической динамике лазерных лучей и условия, при которых эти лучи можно преобразовать в фотонные нейроны.
Полученные результаты позволят разработать нанолазеры для перспективных миниатюрных оптических нейросетей, сообщили в пресс-службе Самарского университета имени Королева.
«Исследователи Самарского университета имени Королева и Самарского филиала физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) провели совместное исследование, направленное на выявление закономерностей в хаотической динамике лазерных лучей. С помощью математических уравнений и численного моделирования физики точно определили условия, при которых лазерный луч внезапно меняет свою внутреннюю структуру, внося в хаотическую динамику луча строгую и сложную упорядоченность. Результаты этого исследования в дальнейшем позволят создавать уникальные нанолазеры, которые смогут функционировать как фотонные нейроны в миниатюрных оптических нейросетях будущего», — говорится в сообщении.
Исследование осуществлено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках проектов государственного задания для образовательных и исследовательских учреждений. Итоги научных изысканий опубликованы в статье в авторитетном международном журнале.
По словам представителей университета, при создании более эффективных систем искусственного интеллекта ученые рассматривают перспективным создание на основе фотоники нейроморфных процессоров, аналогичных человеческому мозгу. Они представляют собой комплекс оптических нейросетей, в которых применяется одна из разновидностей лазеров — VCSEL («виксель»). Такой лазер излучает свет иначе, чем привычные лазерные диоды, и имеет свойства, подходящие для использования в роли фотонных нейронов. Его особенность заключается в широкоапертурности, что позволяет формировать широкий пучок света.
«Иногда “виксели” начинают генерировать неожиданные результаты — вместо сфокусированного луча возникает сильно расходящийся пучок, что называется хаотической динамикой. Мы выявили и рассчитали параметры, при которых это происходит, а также каким образом это происходит — для этого должно сложиться определенное стечение обстоятельств. Кроме того, в состоянии хаотической динамики лазеры могут формировать 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», — приводит слова одного из авторов исследования, старшего научного сотрудника научно-образовательного центра физики неравновесных открытых систем Самарского университета имени Королева, научного сотрудника теоретического сектора Самарского филиала ФИАН Антона Кренца.
Перспективы практического применения
Кренц отметил, что, обладая знаниями о принципах работы «викселей», возможно управлять их хаотической динамикой. Это откроет возможности для разработки на основе «викселей» нанолазеров — полупроводниковых устройств размерами в несколько сотен нанометров. На их основе можно создать миниатюрные оптические нейронные сети нового поколения — высокоскоростные и энергоэффективные, аналогичные по устройству с мозгом живых организмов. Они могут быть использованы не только в системах искусственного интеллекта, но и в медицине, телекоммуникациях.
Ученые уверены, что их исследование прокладывает путь к созданию принципиально новых систем искусственного интеллекта для распознавания образов, принятия решений и обработки больших объемов данных. Принцип работы «викселя» по характеру взаимодействия лучей в нем схож с функционированием нейронов в мозге живых существ. Поэтому нейросеть, основанная на «викселях», сможет обрабатывать информацию на всей своей площади со скоростью света и с высокой энергоэффективностью, считают авторы исследования.
Фото: hi-tech.mail.ru