Circuiti neuronali a spillo completamente ottici. un, B, Schema della rete realizzata in questo studio, costituito da diversi neuroni di input pre-sinaptici e un neurone di output post-sinaptico collegati tramite sinapsi PCM. I picchi di ingresso vengono pesati utilizzando celle PCM e riassunti utilizzando un multiplexer WDM (MUX). Se la potenza integrata dei picchi postsinaptici supera una certa soglia, la cella PCM sul risonatore ad anello commuta e viene generato un impulso di uscita (picco neuronale). C, Schema del circuito fotonico di un neurone ottico integrato con blocco di simboli mostrato nel riquadro (in alto a destra). Molti di questi blocchi possono essere collegati a reti più grandi utilizzando gli ingressi e le uscite della lunghezza d'onda. D, Micrografia ottica di tre neuroni fabbricati (B5, D1 e D2), che mostra quattro porte di ingresso. I quattro piccoli risonatori ad anello sulla sinistra vengono utilizzati per accoppiare la luce di diverse lunghezze d'onda dagli ingressi a una singola guida d'onda, che poi conduce alla cella PCM nel punto di incrocio con l'anello grande. Le strutture triangolari sul fondo sono accoppiatori a reticolo utilizzati per accoppiare la luce dentro e fuori il chip. Credito: Natura (2019). DOI:10.1038/s41586-019-1157-8
Un team di ricercatori dell'Università di Münster, l'Università di Oxford e l'Università di Exeter hanno costruito una rete neurale completamente ottica su un singolo chip. Nel loro articolo pubblicato sulla rivista Natura, il gruppo descrive il loro chip, che non ha conversioni da ottico a elettronico, e come ha funzionato. Geoffrey Burr con IBM Research – Almaden ha pubblicato un articolo su News and Views in cui discute il lavoro del team nello stesso numero della rivista.
I computer moderni funzionano con l'elettricità:alimenta i dispositivi e funge da supporto di archiviazione e dati. Ma per diversi decenni, gli scienziati si sono chiesti se sarebbe possibile utilizzare la luce come mezzo di dati, fotoni scricchiolanti invece di elettroni. Gli ingegneri hanno molti ostacoli nel tentativo di creare un dispositivo del genere, però, in particolare i colli di bottiglia che si verificano durante la conversione tra sistemi ottici ed elettrici. In tempi più recenti, c'è stato un rinnovato interesse nella costruzione di un computer a base ottica, ma ora, l'obiettivo è il risparmio energetico. I grandi computer moderni utilizzati per applicazioni pesanti richiedono molta elettricità. La logica suggerisce che i computer basati sulla luce dovrebbero consumare meno energia, soprattutto perché non genererebbero tanto calore, rendendo obsoleti i sistemi di raffreddamento. In questo nuovo sforzo, i ricercatori hanno compiuto un passo avanti verso la creazione di computer basati sull'ottica costruendo una rete neurale completamente ottica su un singolo chip.
I ricercatori hanno notato che un tipo di sistema informatico sembrava più suscettibile all'ottica:le reti neurali profonde. Questo perché tali reti si basano su neuroni artificiali con connessioni sinaptiche che possono essere ponderate in base alle esperienze di apprendimento passate. Hanno anche notato che anche i materiali a cambiamento di fase cristallini potrebbero servire a tale scopo. Sono materiali che subiscono un cambiamento di struttura quando vengono riscaldati, in questo caso, da un laser. Utilizzando un tale materiale, il team ha costruito un chip con quattro neuroni collegati a 60 sinapsi utilizzando guide d'onda per controllare il flusso di informazioni rappresentato dalla luce. I test hanno mostrato che il chip era in grado di apprendere, riconoscere schemi ed eseguire calcoli.
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