Ses Dalgaları Optik Sinir Ağlarında Nasıl Devrim Yaratıyor?

Sanatçının optoakustik bilgi işlem izlenimi. 

 

Araştırmacılar, optik sinir ağlarında ses dalgalarını kullanmanın bir yolunu geliştirerek ağların verileri yüksek hız ve enerji verimliliğiyle işleme yeteneklerini geliştirdiler.

Optik sinir ağları, zorlu bilgi işlem görevlerinin üstesinden gelmek için gerekli olan yüksek hızlı ve büyük kapasiteli çözümü sağlayabilir. Ancak potansiyellerinin tamamını ortaya çıkarmak daha fazla ilerleme gerektirecektir. Zorluklardan biri optik sinir ağlarının yeniden yapılandırılabilirliğidir.

Max Planck Işık Bilimi Enstitüsü’ndeki Stiller Araştırma Grubu’ndaki bir araştırma ekibi, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki Englund Araştırma Grubu ile işbirliği içinde, yeni bir yapı ekleyerek yeni yeniden yapılandırılabilir nöromorfik yapı taşlarının temelini atmayı başardı. fotoniğe boyut makine öğrenme: ses dalgaları.

Araştırmacılar, optik fiberde geçici akustik dalgalar oluşturmak için ışığı kullanıyor. Bu şekilde üretilen ses dalgaları, örneğin bir telekomünikasyon optik fiberinde, dil gibi bağlamsal bilgilerin yorumlanması için gerekli olan tekrarlayan bir işlevselliğe olanak sağlayabilir.

Yapay Zeka ve Enerji Verimliliği

Yapay zeka artık sıradan ve günlük görevleri yerine getirmemize yardımcı oluyor. ChatGPT gibi dil modelleri doğal olarak formüle edilmiş metinler oluşturabilir ve paragrafları yapılandırılmış bir şekilde özetleyebilir, böylece idari yüklerimizi azaltmamıza yardımcı olur. Dezavantajı ise muazzam enerji gereksinimleridir; bu, geliştikçe bu akıllı cihazların sinyal işlemeyi hızlandırmak ve enerji tüketimini azaltmak için yeni çözümlere ihtiyaç duyacağı anlamına gelir.

Dr. Birgit Stiller ve Steven Becker laboratuvarda.

Optik Sinir Ağları: Yeni Bir Sınır

Nöral ağlar yapay zekanın omurgasını oluşturabilecek potansiyele sahip. Bunları elektrik sinyalleri yerine ışığa dayalı optik sinir ağları olarak oluşturmak, büyük hacimli verilerin yüksek hızlarda ve büyük enerji verimliliğiyle işlenmesini vaat ediyor. Ancak bugüne kadar optik sinir ağlarının uygulanmasına yönelik deneysel yaklaşımların çoğu sabit bileşenlere ve sabit cihazlara dayanıyordu.

Birgit Stiller liderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibi, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden Dirk Englund ile işbirliği içinde, fotonik makine öğrenimi için ses dalgalarına dayalı yeniden yapılandırılabilir yapı taşları oluşturmanın bir yolunu buldu. Deneysel yaklaşımları için araştırmacılar, halihazırda küresel olarak hızlı internet bağlantıları için kullanılan kıl kadar ince optik fiberleri kullanıyor.

Optik darbe tarafından taşınan bilgi kısmen akustik dalgaya dönüştürülür. Işık darbesi optik fiberden ayrıldıktan sonra bile bilgi akustik dalgada kalır. Bu ilk akustik dalga, ikinci ve üçüncü ışık-ses işleme adımını etkiler ve sonraki giriş darbeleri öncekilerden farklı bilgiler taşır. Sonuç olarak, akustik dalgalar zamanla ayrılmış dinamikleri birbirine bağlar ve bir bilgi yayılım ortamı olarak hizmet eder. 

 

Optik Ağları Geliştiren Ses Dalgaları

Buluşun anahtarı, bir optik sinir ağının sonraki hesaplama adımlarını yönlendiren, ilerleyen ses dalgalarının ışıkla yönlendirilerek yaratılmasıdır. Optik bilgi işlenir ve akustik dalgalarla ilişkilendirilir. Ses dalgaları, optik bilgi akışından çok daha uzun bir iletim süresine sahiptir.

Bu nedenle optik fiberde daha uzun süre kalırlar ve sonraki her işlem adımına sırayla bağlanabilirler. Bu sürecin benzersizliği, tamamen ışıkla kontrol edilmesi ve karmaşık yapılara ve dönüştürücülere ihtiyaç duymamasıdır.

“Optik sinir ağlarını kontrol etmek için ses dalgalarının kullanımına öncülük eden bu yeni araştırma dizisine başladığımız için çok heyecanlıyım. Araştırma bulgularımız, yeni fotonik hesaplama mimarileri için yeni yapı taşlarının geliştirilmesini tetikleme potansiyeline sahip” diyor Kuantum Optoakustik Araştırma Grubu başkanı Dr. Birgit Stiller.

Ekip tarafından deneysel olarak gösterilen ilk yapı taşı, tekrarlayan sinir ağları alanında yaygın olarak kullanılan bir teknoloji olan tekrarlayan bir operatördür. Bir dizi hesaplama adımının birbirine bağlanmasına olanak tanır ve dolayısıyla gerçekleştirilen her bir hesaplama adımı için bir bağlam sağlar.

Optik Ağlarda Tekrarlayan İşlemler

Örneğin insan dilinde kelimelerin sırası bir cümlenin anlamını belirleyebilir. Örneğin, “Zorluğu araştırmaya karar verdi.” ve “Araştırmaya meydan okumaya karar verdi.” aynı kelimelerden oluşur ancak farklı anlamlara sahiptir. Bunun nedeni kelimelerin sıralarının yarattığı farklı bağlamlardır.

Bilgisayardaki geleneksel tamamen bağlı bir sinir ağı, belleğe erişim gerektirdiğinden bağlamı yakalamada zorluklarla karşı karşıyadır. Bu zorluğun üstesinden gelmek için sinir ağları, dahili belleği etkinleştiren ve bağlamsal bilgileri yakalayabilen tekrarlayan işlemlerle donatılmıştır.

Her ne kadar bu tekrarlayan sinir ağlarının dijital olarak uygulanması kolay olsa da, optikteki benzer uygulama zorludur ve şimdiye kadar hafızayı sağlamak için yapay boşluklara güvenilmiştir.

Araştırmacılar artık tekrarlayan bir operatörü uygulamak için ses dalgalarını kullandılar. Sonuç olarak Optoakustik Tekrar Akım Operatörü (OREO), yapay bir rezervuara veya yeni üretilmiş yapılara ihtiyaç duymadan bir optik dalga kılavuzunun kendine özgü özelliklerinden yararlanır.

OREO, tamamen optik olarak kontrol edilme avantajını sunarak optoakustik bilgisayarı darbe darbe temelinde programlanabilir hale getirir. Örneğin, araştırmacılar bunu ilk kez optik olarak tekrarlayan bir bırakma uygulamak için kullandılar; bu, daha önce yalnızca dijital tekrarlayan sinir ağlarının performansını artırmak için kullanılan bir düzenleme tekniğiydi. OREO, 27’ye kadar farklı modeli ayırt etmek için kullanıldı ve bağlamı işleme yeteneğini gösterdi.

Fotonik Makine Öğreniminin Gelecek Potansiyeli

“OREO’nun tamamen optik kontrolü güçlü bir özellik. Özellikle sistemi darbe darbe bazında programlama olanağı, birkaç ek serbestlik derecesi sağlar. Fotonik makine öğrenimi için ses dalgalarını kullanmak mevcut durumu bozuyor ve bu alanın gelecekte nasıl gelişeceğini görmek için çok sabırsızlanıyorum” diyor Stiller Laboratuvarı doktora öğrencisi Steven Becker.

Gelecekte, optik sinir ağları için ses dalgalarının kullanılması, kendiliğinden yeniden yapılandırılabilen ve mevcut telekomünikasyon ağında büyük ölçekli bellek içi hesaplamaya olanak tanıyan yeni bir optik nöromorfik bilgi işlem sınıfının kilidini açabilir. Ayrıca, optik sinir ağlarının çip üzerindeki uygulamaları, ek elektronik kontroller olmadan fotonik dalga kılavuzlarında uygulanabilen bu yaklaşımdan yararlanabilir.

“Fotonik makine öğrenimi, bilginin paralel işlenmesi ve enerji verimli operasyonlar için büyük bir potansiyele sahip olabilir. Akustik dalgaların eklenmesi, tamamen optik olarak kontrol edilen ve kullanımı kolay bir araç kiti ile bu çabaya katkıda bulunabilir” diyor Dr. Birgit Stiller.

Referans: Steven Becker, Dirk Englund ve Birgit Stiller tarafından “Tekrarlayan sinir ağları için optoakustik alanla programlanabilir bir algılayıcı”, 16 Nisan 2024, Doğa İletişimi.