Całkowicie optyczne przetwarzanie informacji
Obliczenia zbiornikowe (ang. reservoir computing) stanowią zupełnie nowy paradygmat w przetwarzaniu informacji, bazujący na podstawowym pomyśle wykorzystania złożoności układu jako źródła mocy obliczeniowej. Centralnym elementem konfiguracji jest ogromna sieć nieliniowa (zbiornik) zawierająca węzły niezbędne do wymiany informacji. Połączenia z warstwą wyjściową są uczone odczytywania stanu i odwzorowywania go na pożądany wynik. Celem finansowanego ze środków UE projektu "A novel architecture for a photonics liquid state machine" (NOVALIS) było opracowanie nowatorskiego, fotonicznego podejścia do obliczeń zbiornikowych z wykorzystaniem maszyny LSM — najważniejszego układu tego typu. Główna koncepcja polegała na zastąpieniu sieci laserami pełniącymi funkcje węzłów. Struktura węzłów była wysoce nieliniowa w celu zapewnienia złożonej dynamiki niezbędnej do wykonywania obliczeń. Jako węzły wykorzystano lasery półprzewodnikowe z opóźnionym sprzężeniem zwrotnym. Optyczne wprowadzanie informacji w tempie 5 mld próbek na sekundę dowiodło imponujących możliwości obliczeniowych pojedynczego lasera półprzewodnikowego. Następnie uzyskano sprzężenie i sprzężenie zwrotne w układzie dwóch laserów półprzewodnikowych, wykorzystując światłowody utrzymujące polaryzację. Naukowcom nie udało się jednak uzyskać wyników obliczeniowych z powodu powoli wahającej się modulacji natężeń wyjściowych. Innym wdrożeniem maszyny LSM był szyk laserów o emisji powierzchniowej z pionową wnęką rezonansową (VCSEL) osadzony we wnęce, co pozwoliło utworzyć sprzężenie opóźnienia między kilkoma diodami laserowymi. W ten sposób powstała złożona sieć połączeń między poszczególnymi diodami. Utworzona sieć opóźnieniowa pełniła funkcję zbiornika. W porównaniu z wcześniejszym użyciem indywidualnie sprzężonych elementów podejście to wykazało znacznie większy potencjał w zakresie obliczeń równoległych, skalowalności i elastyczności. Ostatnie działanie projektu w zakresie równoległego przetwarzania informacji dotyczyło przestrzennych modulatorów światła. Aby uniknąć powolnych wahań amplitudy, do odwzorowania stanu płynnego sieci laserów VCSEL użyto metody opartej na całkowicie optycznym klasyfikatorze. Pomimo to detektor wykazywał poziomy szumu porównywalne z indukowanymi amplitudami przejściowymi. Możliwości wykonywania obliczeń równoległych pomyślnie zademonstrowano z użyciem całkowicie optycznej maszyny LSM na zbiorniku pojedynczych laserów ze sprzężeniem opóźnienia. W ramach projektu NOVALIS zrealizowano ważne prace zmierzające do wdrożenia całkowicie optycznej maszyny LSM wykorzystującej zbiorniki na wielu laserach. Przezwyciężenie trudności z szumami detektorów i opracowanie procedury uczenia powinno otworzyć drogę do stworzenia nowatorskiej koncepcji całkowicie optycznych, autonomicznych układów maszyn uczących się.
Słowa kluczowe
Całkowicie optyczne, przetwarzanie informacji, maszyna LSM, laser, uczenie maszynowe, obliczenia zbiornikowe, obliczenia równoległe
