В качестве ключевого шага на пути к практическому применению крупномасштабных оптических нейронных сетей исследователи продемонстрировали первую в своем роде многослойную полностью оптическую искусственную нейронную сеть. Как правило, этот тип искусственного интеллекта может решать сложные проблемы, которые невозможны с использованием традиционных вычислительных подходов, но современные разработки требуют обширных вычислительных ресурсов, которые требуют больших затрат времени и энергии.
По этой причине существует большой интерес к разработке практических оптических искусственных нейронных сетей, которые работают быстрее и потребляют меньше энергии, чем те, которые основаны на традиционных компьютерах.
В Optica, журнале высокоэффективных исследований Оптического общества, исследователи из Гонконгского университета науки и технологий подробно описывают свою двухслойную полностью оптическую нейронную сеть и успешно применяют ее для решения сложной задачи классификации.
«Наша полностью оптическая схема может позволить нейронную сеть, которая выполняет оптические параллельные вычисления со скоростью света, потребляя при этом мало энергии», – сказал Джунвэй Лю, член исследовательской группы. «Крупномасштабные полностью оптические нейронные сети могут использоваться для различных приложений, от распознавания изображений до научных исследований."
Построение полностью оптической сети
В обычных гибридных оптических нейронных сетях оптические компоненты обычно используются для линейных операций, в то время как функции нелинейной активации – функции, моделирующие реакцию нейронов в человеческом мозгу – обычно реализуются электронным способом, поскольку для нелинейной оптики обычно требуются мощные лазеры. сложно реализовать в оптической нейронной сети.
Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи использовали холодные атомы с электромагнитно-индуцированной прозрачностью для выполнения нелинейных функций. «Этот индуцированный светом эффект может быть достигнут с помощью очень слабой мощности лазера», – сказал Шэнван Ду, член исследовательской группы. «Поскольку этот эффект основан на нелинейной квантовой интерференции, можно было бы расширить нашу систему до квантовой нейронной сети, которая могла бы решать проблемы, которые невозможно решить классическими методами."
Чтобы подтвердить возможности и осуществимость нового подхода, исследователи построили двухслойную полностью подключенную полностью оптическую нейронную сеть с 16 входами и двумя выходами. Исследователи использовали свою полностью оптическую сеть для классификации фаз порядка и беспорядка модели Изинга, статистической модели магнетизма.
Результаты показали, что полностью оптическая нейронная сеть была такой же точной, как и хорошо обученная компьютерная нейронная сеть.
Оптические нейронные сети в больших масштабах
Исследователи планируют распространить полностью оптический подход на крупномасштабные полностью оптические глубокие нейронные сети со сложной архитектурой, разработанной для конкретных практических приложений, таких как распознавание изображений. Это поможет продемонстрировать, что схема работает в больших масштабах.
«Хотя наша работа является демонстрацией принципа, она показывает, что в будущем может появиться возможность разработать оптические версии искусственного интеллекта», – сказал Ду. «Аппаратное обеспечение искусственного интеллекта следующего поколения будет намного быстрее и потреблять меньше энергии по сравнению с сегодняшним компьютерным искусственным интеллектом», – добавил Лю.