Polscy naukowcy jako pierwsi na świecie zdołali zbudować sieć neuronową opartą o „masywne” fotony tzw. polarytony. Są to cząstki światła, które zachowują się tak, jakby miały masę. Według badaczy wykorzystanie światła w obliczeniach sztucznej inteligencji jest szansą na znaczące oszczędności energii.
Sztuczne sieci neuronowe już od jakiegoś czasu używane są w coraz większej liczbie zastosowań. Wykorzystuje się je w rozpoznawaniu mowy i głosu, a także obrazów, w tłumaczeniu tekstów i w sterowaniu pojazdami autonomicznymi. My opisywaliśmy podobne zagadnienia miedzy innymi w artykule „Jak Smart Cities mogą zaradzić przyszłym epidemiom”. Prof. Michał Matuszewski z Instytutu Fizyki PAN tłumaczy, że „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”.
Sieć neuronowa wykorzystująca światło
Naukowiec uważa, że nadzieją jest tu przechodzenie z urządzeń elektronicznych, które działają za sprawą elektronów, do urządzeń wykorzystujących fotony, a więc cząstki światła. Jego zdaniem „fotony są o tyle dobre, że, w przeciwieństwie do elektronów, ich propagacja odbywa się właściwie bez strat energii”. Zauważa, że już od dawna stosuje się tę ideę w telekomunikacji. Do przesyłania informacji na duże odległości wykorzystywane są światłowody, a nie elektroniczne kable. Jednak światło nadal nie jest jeszcze stosowane w obliczeniach komputerowych.
Do tej pory fotony były o tyle trudne do wykorzystania w obliczeniach, że nie oddziałują ze sobą – w przeciwieństwie do elektronów. Polscy naukowcy zbudowali sieć neuronową, której działanie jest oparte o fotony zachowujące się tak, jakby miały masę (tzw. polarytony). Badania zostały opublikowane w czasopiśmie naukowym „Nano Letters”.
Profesor Matuszewski tłumaczy, że „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”. Według tej metody fotony więzione są w tzw. mikrownękach optycznych, czyli umieszcza się je pomiędzy dwoma bardzo gładkimi lustrami. Dr hab. Barbara Piętka, współautorka pracy opowiada, że „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”.
Polska sieć neuronowa na razie rozpoznaje pismo
To światło zostało wykorzystane do rozpoznawania wzorców. Sieć optyczną nauczono rozpoznawania odręcznie pisanych cyfr ze skutecznością sięgającą 96 procent. To oznacza, że sztuczny neuron pomylił odręcznie napisane cyfry tylko raz na 25 prób. Co bardzo istotne, podczas wykonywania jednej operacji zużywa bardzo mało energii – zaledwie 16 pikodżuli. Na naszym blogu wielokrotnie zajmowaliśmy się tematem wpływu nowych technologii na środowisko, na przykład w materiale „Nowe technologie, a walka ze zmianami klimatycznymi”.
Na razie eksperymenty wykonywane były w temperaturach ciekłego helu. Jeden z autorów badania, dr inż. Krzysztof Tyszka mówi, że zespół pracuje już nad układami działającymi w temperaturze pokojowej – i są przekonani, że da się to zrobić. Naukowiec przyznaje, że „jest to ważny warunek, żeby rozwiązanie mogło znaleźć praktyczne zastosowanie w technologii”.
Pytany o praktyczne zastosowania fotonicznych sieci neuronowych, dr Tyszka odpowiada, że „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: Nauka w Polsce PAP