Самарские учёные раскрыли путь к нанолазерам‑фотонным нейронам VCSEL
Самарские учёные установили закономерности в хаотической динамике лазерных лучей и определили условия, при которых отдельные лазерные потоки могут выполнять функции фотонных нейронов. По данным пресс-службы Самарского университета имени Королева, полученные результаты открывают перспективы создания нанолазеров для миниатюрных оптических нейросетей.
"Учёные Самарского университета имени Королева и Самарского филиала ФИАН провели совместное исследование, посвящённое выявлению закономерностей в хаотической динамике лазерных лучей. С помощью математических уравнений и численного моделирования физики точно рассчитали условия, при которых лазерный луч внезапно меняет свою внутреннюю структуру, внося в хаотическую динамику строгую и сложную упорядоченность. Результаты исследования позволят в перспективе создавать особые нанолазеры, которые смогут работать как фотонные нейроны в миниатюрных оптических нейросетях будущего", — говорится в сообщении.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственных заданий, возложенных на образовательные и научно-исследовательские организации. Итоги исследования опубликованы в рецензируемом международном научном журнале.
В пресс-релизе отмечается, что при разработке более эффективных систем искусственного интеллекта перспективным направлением считается платформенная фотоника и создание нейроморфных процессоров, принципиально сходных по архитектуре с мозгом. В рамках такой концепции рассматриваются оптические нейросети, основанные на одной из разновидностей лазеров — VCSEL (виксель). Этот тип лазера испускает свет иначе, чем стандартные лазерные диоды, и обладает характеристиками, подходящими для использования в роли фотонных нейронов, в том числе широкой апертурой — способностью формировать широкий пучок излучения.
"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 объяснили, какие обстоятельства этому предшествуют. Кроме того, в состоянии хаотической динамики лазеры могут образовывать сложные упорядоченные пространственно-временные структуры — своего рода оптические узоры. Мы также рассчитали условия их возникновения и какие именно структуры появляются в лазерном луче", — сказал один из авторов исследования, старший научный сотрудник научно-образовательного центра физики неравновесных открытых систем Самарского университета имени Королева и научный сотрудник теоретического сектора Самарского филиала ФИАН Антон Кренц.
Перспективы практического применения
Антон Кренц подчеркнул, что понимание механизмов работы VCSEL позволяет целенаправленно управлять их хаотической динамикой. Это создаёт предпосылки для разработки нанолазеров — полупроводниковых устройств с поперечными размерами порядка нескольких сотен нанометров. На базе таких элементов возможно формирование миниатюрных оптических нейронных сетей нового поколения, которые будут характеризоваться высокой скоростью и энергоэффективностью при обработке информации.
Учёные полагают, что результаты исследования могут стать основой для новых систем искусственного интеллекта, ориентированных на распознавание образов, принятие решений и обработку больших объёмов данных. По их мнению, характер взаимодействия лучей в VCSEL близок по принципам к работе нейронных сетей биологического мозга, что позволяет системам на основе "викселей" обрабатывать информацию по площади всей активной поверхности с существенно большей скоростью и улучшенной энергоэффективностью. Возможные области применения таких технологий включают инструменты искусственного интеллекта, медицинские приборы и телекоммуникационные решения.