In einem bedeutenden Fortschritt für die Verarbeitung künstlicher Intelligenz haben europäische Forschende einen neuen Ansatz für das Rechnen demonstriert, bei dem Licht statt Elektrizität genutzt wird, um komplexe Berechnungen mit bislang unerreichter Geschwindigkeit durchzuführen.
Der Durchbruch ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Teams der Universität Tampere in Finnland und der Université Marie et Louis Pasteur in Frankreich. Sie verwendeten Femtosekunden-Laserpulse (eine Milliarde Mal kürzer als ein Kamerablitz), die durch ultradünne Glasfasern geleitet wurden, um KI-ähnliche Berechnungen durchzuführen. Bemerkenswert an diesem Erfolg sind sowohl die Geschwindigkeit als auch die Effizienz des Prozesses – die Berechnungen werden in weniger als einer Pikosekunde abgeschlossen und erreichen dabei eine Genauigkeit von über 91 % beim MNIST-Benchmark zur Erkennung handgeschriebener Ziffern, einem Standardtest für KI-Systeme.
„Diese Arbeit zeigt, wie Grundlagenforschung in der nichtlinearen Faseroptik neue Ansätze für das Rechnen ermöglichen kann“, erklären die Forschungsleiter Professor Goëry Genty, John Dudley und Daniel Brunner. „Durch die Verbindung von Physik und maschinellem Lernen eröffnen wir neue Wege für ultraschnelle und energieeffiziente KI-Hardware.“
Das System funktioniert, indem Laserpulse mit mehreren Wellenlängen durch optische Fasern mit einem Querschnitt kleiner als ein menschliches Haar gesendet werden. Die Forschenden kodieren Informationen, indem sie zwischen diesen Wellenlängen je nach Bilddaten relative Verzögerungen einführen. Während das Licht durch die Faser wandert, transformiert die nichtlineare Wechselwirkung zwischen Licht und Glas das Spektrum auf eine Weise, die die kodierten Informationen erhält und verarbeitet.
Interessanterweise stellte das Team fest, dass die optimale Leistung nicht durch eine Maximierung der nichtlinearen Wechselwirkungen erzielt wurde, sondern durch das Finden eines präzisen Gleichgewichts in der Komplexität des Systems. Diese Erkenntnis könnte für die zukünftige Entwicklung photonischer Rechensysteme entscheidend sein.
Die Forschenden arbeiten nun daran, optische Systeme auf Chips zu entwickeln, die in Echtzeit außerhalb von Labors betrieben werden können. Gelingt dies, könnte diese Technologie die KI-Verarbeitung revolutionieren, indem sie den Energieverbrauch drastisch senkt und die Verarbeitungsgeschwindigkeit im Vergleich zu heutigen elektronischen Systemen um Größenordnungen steigert.
Die Forschung wurde in Optics Letters veröffentlicht. Der Titel des Artikels lautet: „Limits of nonlinear and dispersive fiber propagation for an optical fiber-based extreme learning machine.“