Исследование проведено при поддержке министерства науки и высшего образования РФ в рамках проектов государственного задания образовательным и исследовательским институтам. Итоги научных изысканий отражены в статье, опубликованной в авторитетном международном журнале "Journal of the Optical Society of America B".

"Во всем мире активно ведется разработка новых, более эффективных систем искусственного интеллекта. Для развития в этой сфере, безусловно, потребуются новые технические решения, и одним из таких многообещающих решений может стать разработка нейроморфных (то есть подобных мозгу) процессоров, создаваемых на платформе фотоники в виде комплекса оптических нейросетей. Наша научная группа изучает перспективы использования в таких нейросетях одной из разновидностей лазеров - так называемого VCSEL ("виксель"). Этот диодный полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором излучает свет иначе, чем обычные лазерные диоды, и, как показывают полученные данные, он обладает свойствами, подходящими для применения таких лазеров в качестве фотонных нейронов", - рассказал один из авторов исследования Антон Кренц, доцент кафедры физики, старший научный сотрудник Научно-образовательного центра физики неравновесных открытых систем Самарского университета им. Королева, научный сотрудник теоретического сектора Самарского филиала Физического института им. П.Н.Лебедева РАН.

"Виксели" успешно применяются сейчас в сфере телекоммуникаций, их используют, например, для высокоскоростной передачи данных. Для работы в качестве фотонных нейронов пригодится их широкоапертурность (возможность формировать широкий пучок). То есть вместо узкого сфокусированного луча они могут генерировать расходящийся, расплывчатый пучок, проявляющий, как говорят ученые, хаотическую динамику. Это примерно можно сравнить с тем, как льется струя воды из крана на кухне без прикрученной на кран насадки-аэратора: вместо упорядоченных тонких струек вода льется сплошным хаотическим потоком, который то и дело может менять свою форму, создавая завихрения и рассыпаясь брызгами.

"Порой "виксели" начинают генерировать не то, что обычно ожидается: вместо сфокусированного луча возникает сильно расходящийся пучок, это называется хаотической динамикой. Мы выявили и рассчитали параметры, при которых это происходит, и поняли, каким именно образом это происходит - для этого должно возникнуть определенное стечение обстоятельств. Кроме того, в этом состоянии хаотической динамики лазеры могут образовывать сложные упорядоченные пространственно-временные структуры, своего рода оптические "узоры", и мы также рассчитали, какие именно структуры возникают в лазерном луче и при каких условиях это происходит. То есть, зная теперь, как это все образуется и от чего зависит, мы получаем возможность этим управлять", - подчеркнул Антон Кренц.

Луч широкоапертурного "викселя" состоит из множества тоненьких лучей, взаимодействующих друг с другом в реальном времени, как настоящие нервные клетки - нейроны - в мозге живых существ. Нейросеть, построенная на таких "викселях", сможет обрабатывать информацию всей своей площадью со скоростью света и с колоссальной энергоэффективностью. Это путь к созданию принципиально новых систем искусственного интеллекта для распознавания образов, принятия решений и обработки больших данных.

"Возможность управлять хаотической динамикой "викселей" позволит разрабатывать на их основе нанолазеры - полупроводниковые устройства размерами в несколько сотен нанометров, которые могут найти широкое применение в самых различных сферах, например, в медицине, телекоммуникациях, но прежде всего в области технологий систем искусственного интеллекта. На основе таких фотонных нейронов можно будет создавать миниатюрные оптические нейронные сети нового поколения - скоростные и энергоэффективные, схожие по устройству с мозгом живых существ", - отметил Антон Кренц.

И еще один интересный момент исследования: в ходе расчетов и моделирования ученые выявили две закономерности, два оптических "узора", которые при определенных условиях образуются в хаотической динамике "викселей", - это модулированные стоячие волны и оптические вихри со спиральной фазовой структурой. По словам астрофизиков, точно такие же "узоры" можно наблюдать и на видимой поверхности Солнца - солнечной фотосфере. Они то появляются, то исчезают. Эти солнечные "узоры" состоят из конвекционных ячеек, называемых гранулами. Столбы перегретой плазмы диаметром в среднем около тысячи километров поднимаются на поверхность, остывают при подъеме и затем опускаются в промежутках между гранулами. Конечно, вряд ли можно даже в шутку представить Солнце в виде гигантской оптической нейросети на мощных широкоапертурных лазерах, однако совпадение "узоров" достаточно интересно, хоть и вполне объяснимо, считают ученые.

Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий. Еще больше информации об исследованиях ученых университета - на сайте проекта "Одержимы наукой".