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光子学领域机器学习的崛起

  编辑 | 萝卜皮
  在 2020 年,光子学中的人工智能部署催生了许多研究活动,但乐观的情绪必须与现实主义相平衡。2021 年 2 月,第 15 卷,第 2 期的《 Nature Photonics 》杂志通过一个焦点问题来庆祝该领域的进步。
  机器学习的崛起
  论文链接: https://www.nature.com/articles/s41566-020-00748-w
  源自线性回归等过程的数据分析技术的改进,已经促进了众多高效的机器学习算法的出现。这些系统的结果,可以改进并提供学习的外观。「学习」和「输出」是由人工编写的代码和数据输入预先确定的。尽管如此,这样的系统擅长有效地解决某些类型的问题,例如图像模式识别。
  如果机器学习算法在「层」方面足够复杂和「深入」,那么机器学习就可以成为所谓的深度学习、神经网络以及深度神经网络。所有这些术语都松散地属于机器学习和人工智能算法的范畴;无论名称如何,机器学习在应用中似乎几乎是无限的。
  光子学中的机器学习
  机器学习似乎与光子学有特别的协同作用,尤其是在功率效率和并行性方面。正如 David Pile 与 Aydogan Ozcan 在问答中所讨论的,现在有两个主要推动力将机器学习应用于光子学。
  论文链接: https://www.nature.com/articles/s41566-020-00747-x
  两个主要方向之一,是使用在传统计算机上实现的人工智能算法,来设计具有改进的、有特定任务性能的光学结构和设备。尽管该方法确实与逆向设计算法方法(非机器学习)进行了比较,但结果无疑令人印象深刻,人工智能的结果往往会超越人工控制设计所能达到的效果。这时确实会有种类似「黑匣子」的感觉,其中可能缺乏直觉和理解,但随着研究人员的努力解释与发现,这种情况可能会有所改善。
  光子结构设计的深度学习
  有关用于光子结构设计的深度学习的一般概述和介绍,请参阅来自美国波士顿东北大学的 Wei Ma、Zhaocheng Liu等人的评论「 Deep learning for the design of photonic structures 」。他们给出了历史背景,概述了算法基础,然后展示了如何使用模型来设计特定任务的光子设备。
  论文链接: https://www.nature.com/articles/s41566-020-0685-y
  另一个可能更雄心勃勃的方向是,尝试使用光学系统来实现人工智能计算。然而,这一目标同包括光逻辑器件和非机器学习光计算在内的领域一样,受到了类似的误解和虚假声明的困扰。
  例如,逻辑门、计算和神经网络都是被动(线性)系统,无法实现的主动(非线性)现象。线性系统的输出,例如通过狭缝、光栅或其他无源结构的传统光学干涉,无论多么复杂,都可能看起来提供逻辑(暗淡的「零」或明亮的「一」),但系统不会主动改变结果。研究人员通常会表明,您可以通过改变输入或修改设置/结构,来「主动」改变结果,实现逻辑或计算;但在这种情况下,「主动」组件是实验者(例如调整激光,或改变结构),而不是设备本身。
  类似的论点也适用于人工智能。例如,在神经网络的情况下,需要一个激活函数,其目的是提供所需的非线性。晶体管(有源/非线性器件)形成核心或电子处理单元,而不是电阻器、电容器和电感器(通常是无源线性元件)是有充分理由的。尽管如此,正在取得的真正进展确实令人震惊。
  用于人工智能和神经形态计算的光子
  来自美国新泽西州普林斯顿大学的 Bhavin Shastri、Alexander Taitc 等人在一篇题为「 Photonics for artificial intelligence and neuromorphic computing 」的评论中,讨论了在光子系统中模拟神经系统的神经生物学架构,以及进行神经形态计算的研究。光子神经形态计算方面,将来似乎会有巨大的机会,例如亚纳秒延迟,但正如评论中所述,需要克服一些真正的挑战。
  论文链接: https://www.nature.com/articles/s41566-020-00754-y
  超高速光子中的机器学习和应用
  说到快速现象,机器学习可能特别有影响力的一个领域是其在超快光子学中的应用。在另一篇题为「 Machine learning and applications in ultrafast photonics 」的评论中,来自芬兰坦佩雷大学的 Goëry Genty、Lauri Salmela 等人讨论了已经取得的成果,包括脉冲激光器的设计和操作,以及超快传播动力学的表征和控制, 并概述未来的挑战。
  论文链接: https://www.nature.com/articles/s41566-020-00716-4
  基于光子的机器学习用于权衡自动驾驶
  正如来自北美丰田研究所的 Sean Rodrigues、Ziqi Yu 等人在他们题为「 Weighing in on photonic-based machine learning for automotive mobility 」的通信中解释的那样,机器学习的潜力远远超出了光子学研究人员的传统素材。在自动驾驶汽车等应用中,需要有限的数值精度、高推理速度和并行性,光学神经网络处理可能会找到获得商业成功所需的利基市场。
  论文链接: https://www.nature.com/articles/s41566-020-00736-0
  期刊链接: https://www.nature.com/nphoton/volumes/15/issues/2

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