新研究發(fā)現(xiàn)，一種使用光子而不是電子的模擬大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以通過(guò)使用數(shù)千種波長(zhǎng)的光同時(shí)運(yùn)行許多計(jì)算，快速分析大量數(shù)據(jù)。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在分析醫(yī)學(xué)掃描和支持自動(dòng)駕駛汽車(chē)等應(yīng)用中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在這些人工智能系統(tǒng)中，組件（也稱為神經(jīng)元）被輸入數(shù)據(jù)并合作解決問(wèn)題，例如識(shí)別人臉。如果神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有多層神經(jīng)元，則稱其為“深層”。

隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和功率的增長(zhǎng)，當(dāng)在傳統(tǒng)電子設(shè)備上運(yùn)行時(shí)，它們?cè)絹?lái)越需要能量。這就是為什么一些科學(xué)家一直在研究光學(xué)計(jì)算作為一種有前途的下一代人工智能媒介。這種方法使用光而不是電來(lái)執(zhí)行計(jì)算，比電子計(jì)算方法更快，功耗更低。

例如，衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由一堆層組成，每個(gè)層都有數(shù)千個(gè)像素，可以衍射或散射光。這些衍射特征充當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元。深度學(xué)習(xí)用于設(shè)計(jì)每一層，因此當(dāng)以光的形式的輸入照射到堆棧上時(shí)，輸出光對(duì)來(lái)自圖像分類或圖像重建等復(fù)雜任務(wù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。這項(xiàng)研究的資深作者、加州大學(xué)洛杉磯分校的光學(xué)工程師Aydogan Ozcan表示，所有這些計(jì)算“除了照明光之外，不消耗電力”。

這種衍射網(wǎng)絡(luò)可以以光速分析大量數(shù)據(jù)，以執(zhí)行諸如識(shí)別物體的任務(wù)。例如，它們可以幫助自動(dòng)駕駛車(chē)輛立即識(shí)別行人或交通標(biāo)志，或者幫助醫(yī)療診斷系統(tǒng)快速識(shí)別疾病證據(jù)。傳統(tǒng)的電子設(shè)備需要首先對(duì)這些物體進(jìn)行成像，然后將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，最后運(yùn)行程序來(lái)確定這些物體是什么。相比之下，衍射網(wǎng)絡(luò)只需要接收從那些能夠識(shí)別物體的物體反射或以其他方式到達(dá)的光，因?yàn)閬?lái)自該物體的光大部分被衍射到分配給該類物體的單個(gè)像素。

此前，Ozcan和他的同事使用一系列使用3D打印制造的64平方厘米薄聚合物晶片設(shè)計(jì)了單色衍射網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)用單個(gè)波長(zhǎng)或顏色的光照射時(shí)，該衍射網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)矩陣乘法運(yùn)算。這些計(jì)算涉及到將被稱為矩陣的數(shù)字網(wǎng)格相乘，是許多計(jì)算任務(wù)的關(guān)鍵，包括操作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)在，研究人員開(kāi)發(fā)了一種寬帶衍射光學(xué)處理器，它可以同時(shí)接受多個(gè)輸入波長(zhǎng)的光，進(jìn)行多達(dá)數(shù)千次“以光速同時(shí)執(zhí)行”的矩陣乘法運(yùn)算。

在這項(xiàng)新的研究中，科學(xué)家們3D打印了三個(gè)衍射層，每個(gè)衍射層具有14400個(gè)衍射特征。他們的實(shí)驗(yàn)表明，衍射網(wǎng)絡(luò)可以使用兩個(gè)亞毫米波長(zhǎng)的太赫茲頻率信道成功運(yùn)行。他們的計(jì)算機(jī)模型表明，這些衍射網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)接受大約2000個(gè)波長(zhǎng)信道。

Ozcan說(shuō)：“我們通過(guò)采用波長(zhǎng)復(fù)用的方案，證明了大規(guī)模并行光學(xué)計(jì)算的可行性”。

科學(xué)家們指出，使用可見(jiàn)光和太赫茲以外的其他頻率的光構(gòu)建衍射網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是可能的。這種光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可以由多種材料和技術(shù)制造。

總之，它們可能會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域找到應(yīng)用，例如生物醫(yī)學(xué)成像、遙感、分析化學(xué)和材料科學(xué)。

審核編輯 ：李倩