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Ondas sonoras e de luz combinam-se para criar redes neurais avanadas

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Informtica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 15/05/2024

Ondas sonoras e de luz combinam-se para criar redes neurais avan

Esta computao fotoacstica pode transformar a rede de comunicaes por fibras pticas em sistemas de processamento de inteligncia artificial.
[Imagem: Long Huy Dao]

Computao fotoacstica

As redes neurais pticas, que fazem inteligncia artificial usando luz em vez de eletricidade, podem fornecer a soluo de alta velocidade e grande capacidade necessria para enfrentar as tarefas computacionais do presente e do futuro.

No entanto, explorar todo o seu potencial exigir mais avanos como, por exemplo, a reconfigurabilidade dessas redes neurais fotnicas – s agora esto comeando a aparecer os primeiros processadores de luz programveis.

Uma plataforma que permite justamente essa reconfigurabilidade acaba de ser apresentada por uma equipe do Instituto Max Planck para a Cincia da Luz, na Alemanha, e do MIT, nos EUA.

Steven Becker e seus colegas conseguiram estabelecer as bases para novos componentes neuromrficos reconfigurveis adicionando uma nova dimenso ao aprendizado de mquina fotnica: Ondas sonoras.

So vrios conceitos futursticos envolvidos, mas essencialmente se trata de dar a uma rede de fibras pticas uma capacidade de processamento, rodando inteligncia artificial baseada em luz, acelerando as coisas e economizando energia.

Ondas sonoras e de luz combinam-se para criar redes neurais avan

A informao em cada pulso ptico parcialmente convertida em uma onda acstica inicial, que afeta a segunda e a terceira etapas de processamento de luz-som.
[Imagem: Stiller Research Group/MPL]

Transferncia das informaes para o som

Primeiro, os pesquisadores usaram luz para criar ondas acsticas temporrias em uma fibra ptica, do mesmo tipo usado globalmente para conexes rpidas de internet. Nesse passo, a informao transportada por cada pulso ptico parcialmente convertida em uma onda acstica, de modo que a informao permanece na onda acstica mesmo depois que o pulso de luz sai da fibra ptica.

Esta onda acstica inicial afeta uma segunda e uma terceira etapas de processamento de luz-som, com os pulsos de entrada subsequentes transportando informaes diferentes das anteriores. Isto ocorre porque as ondas sonoras tm um tempo de transmisso muito mais longo do que o fluxo ptico de informaes. Assim, elas permanecem na fibra ptica por mais tempo e podem ser ligadas a cada etapa de processamento subsequente. Como resultado, as ondas acsticas se conectam em dinmicas separadas no tempo, servindo como meio de propagao de informaes e como depsito para um mecanismo de computao de reservatrio.

O elemento chave deste processo reside no fato de ele ser totalmente controlado pela luz, o que o torna muito rpido, alm de no necessitar de estruturas e transdutores complicados.

A expectativa que, no futuro, o uso de ondas sonoras para redes neurais pticas crie uma nova classe de computao neuromrfica ptica que possa ser reconfigurada espontaneamente, permitindo a computao na memria em larga escala, rodando direto na atual rede de telecomunicaes.

Alm disso, implementaes de redes neurais pticas em escala de chip podem se beneficiar dessa abordagem, que implementvel em guias de onda fotnicos sem controles eletrnicos adicionais. A quase totalidade dos prottipos de processadores de luz trabalha com esses guias de ondas, mas so componentes estticos, que precisam ser fabricados para cada funo. A reconfigurabilidade muda o jogo a ser favor.

Ondas sonoras e de luz combinam-se para criar redes neurais avan

Esquema do operador optoacstico recorrente (Oreo) e sua funo proposta em uma rede neural ptica recorrente.
[Imagem: Steven Becker et al. – 10.1038/s41467-024-47053-6]

Rede neural ptica

O primeiro componente dessa computao fotnica com ondas sonoras demonstrado pela equipe um operador recorrente, uma tecnologia amplamente utilizada no campo de redes neurais. Esse dispositivo, batizado de Oreo (sigla em ingls para o operador optoacstico recorrente), permite a ligao de uma srie de etapas computacionais e, portanto, fornece um contexto para cada etapa de clculo realizada.

Na linguagem humana, por exemplo, a ordem das palavras pode determinar o significado de uma frase: As duas frases “Ela decidiu pesquisar o desafio” e “Ela decidiu desafiar a pesquisa” consistem nas mesmas palavras, mas tm significados diferentes. Isso se deve aos diferentes contextos criados pelas ordens das palavras.

Uma rede neural tradicional totalmente conectada em um computador enfrenta dificuldades para capturar o contexto porque requer acesso memria. Para superar esse desafio, as redes neurais foram equipadas com operaes recorrentes, que geram uma memria interna e so capazes de capturar informaes contextuais. Embora essas redes neurais recorrentes sejam simples de implementar digitalmente, a implementao anloga em ptica desafiadora e at agora vinha dependendo de cavidades artificiais para fornecer memria.

O uso das ondas sonoras simplificou tudo. “O controle totalmente ptico do Oreo um recurso poderoso. Especialmente a possibilidade de programar o sistema pulso a pulso oferece vrios graus de liberdade adicionais. O uso de ondas sonoras para aprendizado de mquina fotnica est perturbando o status quo e estou muito ansioso para ver como o campo evoluir no futuro,” disse Steven Becker, membro da equipe.

Bibliografia:

Artigo: An optoacoustic field-programmable perceptron for recurrent neural networks
Autores: Steven Becker, Dirk Englund, Birgit Stiller
Revista: Nature Communications
Vol.: 15, Article number: 3020
DOI: 10.1038/s41467-024-47053-6

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