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A NOvel Architecture for a photonics LIquid State machine

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Rein optische Informationsverarbeitung

Rein optische Informationsverarbeitung

Industrielle Technologien

Reservoirrechnen stellt ein neues Musterbeispiel der Informationsverarbeitung dar, das auf der Einsicht basiert, dass Rechnerleistung aus einer Systemkomplexität entstehen kann. Zentraler Teil dieser Einrichtung ist ein gewaltiges nicht-lineares Netzwerk – das Reservoir – mit Knotenpunkten, die für den Informationsaustausch benötigt werden. Die Verbindungen zur Ausgabeschicht sind so ausgebildet, dass sie den Status ablesen können und ihn auf die gewünschte Ausgabe abbilden können. Das EU-finanzierte Projekt 'A novel architecture for a photonics liquid state machine' (NOVALIS) hatte das Ziel, einen neuartigen photonischen Ansatz für Reservoirrechnen auf der Basis einer LSM zu entwickeln, die einen der wichtigsten Typen des Rervoirrechnens darstellt. Man hatte die Idee, das Netzwerk gegen Laser auszutauschen, die als Knotenpunkte agieren sollten. Diese Knotenpunkte waren in hohem Maße nicht-linear, um die komplexe Dynamik zu liefern, die für Berechnungen erforderlich ist. Die Implementierung dieser Knotenpunkte wurde mithilfe von Halbleiterlasern (semiconductor lasers (SL)) mit verzögerter Rückkopplung erzielt. Eine Injektion optischer Informationen mit einer Abtastrate von 5 Gsample pro Sekunde zeigte eine beeindruckende Informationsverarbeitungsleistung einzelner SL. Anschließend wurden Kopplung und Rückkopplung für ein 2-SL-System eingerichtet, indem man optische Fasern einsetzte, die die Polarisierung aufrechterhalten. Die Wissenschaftler konnten jedoch keine Ergebnisse für Berechnungen erzielen, da die Modulation der Ausgangsintensitäten sich nur langsam veränderte. Eine weitere Implementierung von LSM erfolgte in Form von vertikal oberflächen-emittierenden Laserarrays (VCSEL), die in einem Hohlrraumresonator eingebettet wurden und mehrere Laserdioden verzögert rückkoppelten. Anschließend wurde ein komplexes Netzwerk aufgebaut, das aus den Verbindungen zwischen einzelnen Dioden bestand. Dieses Verzögerungsnetzwerk diente als Reservoir. Im Vergleich zu den zuvor einzeln gekoppelten Elementen wies dieser Ansatz wesentliche Vorteile in Bezug auf echtes Parallelrechnen, Skalierbarkeit und Flexibilität auf. Die letzte Projekttätigkeit zur Demonstration paralleler Informationsverarbeitung basierte auf Flächenlichtmodulatoren. Um die sich langsam verändernde Amplitudenänderung zu vermeiden, wurde ein Verfahren auf der Basis eines rein optischen Klassifikators angewandt, um den fließenden Zustand des VCSEL-Netzwerks abbilden zu können. Der Detektor wies jedoch Lärmpegel auf, die mit den induzierten transienten Amplituden vergleichbar waren. Um Parallelrechnen zu demonstrieren, wurde eine rein optische LSM , die ein einzelnes verzögerungsgekoppeltes Laserreservoir verwendete, mit Erfolg angewandt. NOVALIS stellte einen maßgeblichen Erfolg zur Implementierung einer rein optischen LSM dar, die auf Mehrfach-Laserreservoirs basiert. Wenn das Problem des Detektorlärms überwunden sein wird und der Trainingsmaßnahmen implementiert sind, sollte ein neuartiges rein optisches, eigenständiges maschinelles Lernkonzept entstehen.

Schlüsselbegriffe

Rein optisch, Informationsverarbeitung, Liquid-State Machine, Laser, maschinelles Lernen, Reservoirrechnen, Parallelrechnen

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Wissenschaftliche Fortschritte
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26 Januar 2021