PHÁP – Trong tương lai, một chiếc máy tính sẽ không chỉ hoạt động dựa vào công nghệ điện tử mà còn sử dụng ánh sáng để thực hiện các tác vụ nhanh hơn và hiệu quả hơn. Hai nhóm nghiên cứu từ Phần Lan và Pháp đã trình bày một phương pháp mới để xử lý thông tin bằng ánh sáng và sợi quang, mở ra khả năng chế tạo máy tính siêu nhanh.
Dự án được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu sau Tiến sĩ Mathilde Hary từ Đại học Tampere (Tampere University, Phần Lan) và Tiến sĩ Andrei Ermolaev từ Đại học Marie et Louis Pasteur (Université Marie et Louis Pasteur, tại thành phố Besançon, Pháp), đã chứng minh ánh sáng laser bên trong các sợi thủy tinh mỏng có thể mô phỏng cách trí tuệ nhân tạo (AI) xử lý thông tin. Công trình của họ đã nghiên cứu một loại kiến trúc máy tính đặc biệt được gọi là máy học (*) cực đại (ELM – extreme learning machine), một phương pháp dựa trên hoạt động của mạng nơ-ron thần kinh. (*) Máy học (hay học máy): là một lĩnh vực của công nghệ trí tuệ nhân tạo liên quan đến việc nghiên cứu và xây dựng các kĩ thuật cho phép các hệ thống “học” tự động từ dữ liệu, để giải quyết những vấn đề cụ thể.
Hai Tiến sĩ Hary và Ermolaev chia sẻ: “Thay vì sử dụng các thiết bị điện tử và thuật toán thông thường, việc tính toán được thực hiện bằng cách tận dụng sự tương tác phi tuyến tính giữa các xung ánh sáng mạnh và kính”.
Thiết bị điện tử truyền thống đang dần chạm đến giới hạn về băng thông, thông lượng dữ liệu và mức tiêu thụ điện năng. Các mô hình công nghệ AI ngày càng lớn hơn, tiêu tốn nhiều năng lượng hơn, và thiết bị điện tử chỉ có thể xử lý dữ liệu ở một tốc độ nhất định. Mặt khác, cáp quang có thể biến đổi tín hiệu đầu vào với tốc độ nhanh hơn hàng nghìn lần và khuếch đại những khác biệt nhỏ thông qua các tương tác phi tuyến tính cực mạnh để phân biệt chúng.
Hướng tới khả năng tính toán hiệu quả Trong công trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã sử dụng các xung laser femto giây (ngắn hơn một tỷ lần so với đèn flash của máy ảnh) và một sợi quang giới hạn ánh sáng trong một khu vực nhỏ hơn một phần của sợi tóc, để chứng minh nguyên lý hoạt động của hệ thống máy học cực đại (ELM) quang học. Các xung này đủ ngắn để chứa một số lượng lớn các bước sóng hoặc màu sắc khác nhau. Bằng cách gửi những xung này vào sợi quang với độ trễ tương đối được mã hóa theo hình ảnh, họ cho thấy phổ bước sóng thu được ở đầu ra của sợi quang được biến đổi bởi tương tác phi tuyến tính của ánh sáng và thủy tinh chứa đủ thông tin để phân loại các chữ số viết tay (giống như các chữ số được sử dụng trong chuẩn AI MNIST phổ biến). Theo các nhà nghiên cứu, các hệ thống tốt nhất đạt độ chính xác hơn 91%, gần với các phương pháp kỹ thuật số tiên tiến, trong vòng chưa đến một pico giây (*). (*) Pico giây (ps): là một đơn vị đo thời gian, tương đương một phần nghìn tỷ (10⁻¹²) giây.
Điều đáng chú ý là kết quả tốt nhất không xảy ra ở mức độ tương tác phi tuyến tính hoặc độ phức tạp tối đa; mà là từ sự cân bằng giữa chiều dài sợi, độ phân tán (sự khác biệt về tốc độ lan truyền giữa các bước sóng khác nhau) và mức công suất.
Tiến sĩ Hary cho biết: “Hiệu suất không chỉ đơn thuần là việc truyền tải nhiều năng lượng hơn qua sợi quang. Nó phụ thuộc vào cách ánh sáng được cấu trúc ban đầu chính xác như thế nào; nói cách khác, cách thông tin được mã hóa và cách nó tương tác với các đặc tính của sợi quang”.
Bằng cách khai thác tiềm năng của ánh sáng, nghiên cứu này có thể mở đường cho những phương pháp tính toán mới đồng thời khám phá các lộ trình hướng tới kiến trúc hiệu quả hơn.
Tiến sĩ Ermolaev đã nói rằng: “Các mô hình của chúng tôi cho thấy sự phân tán, phi tuyến tính và thậm chí cả nhiễu lượng tử ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào, cung cấp kiến thức quan trọng để thiết kế hệ thống AI quang học – điện tử thế hệ tiếp theo”.
Thúc đẩy tính phi tuyến quang học thông qua nghiên cứu hợp tác về công nghệ AI và quang tử Cả hai nhóm nghiên cứu đều được thế giới công nhận về chuyên môn trong tương tác ánh sáng – vật chất phi tuyến tính. Sự hợp tác của họ kết hợp hiểu biết lý thuyết và năng lực thực nghiệm tiên tiến để khai thác tính phi tuyến quang học cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Sơ đồ máy học cực đại quang học sử dụng phương pháp truyền dẫn sợi quang phi tuyến tính
Các giáo sư Goëry Genty từ Đại học Tampere, John Dudley và Daniel Brunner từ Đại học Marie và Louis Pasteur, những người dẫn dắt nhóm nghiên cứu, chia sẻ: “Dự án này chứng minh cách nghiên cứu cơ bản về sợi quang phi tuyến có thể thúc đẩy các phương pháp tính toán mới. Bằng cách kết hợp vật lý và máy học, chúng tôi đang mở ra những hướng đi mới hướng tới phần cứng công nghệ AI siêu nhanh và tiết kiệm năng lượng”.
Nghiên cứu kết hợp sợi quang phi tuyến tính và công nghệ AI ứng dụng để khám phá các loại hình điện toán mới. Trong tương lai, mục tiêu sẽ là xây dựng các hệ thống quang học trên chip có thể hoạt động theo thời gian thực và bên ngoài phòng thí nghiệm. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm xử lý tín hiệu thời gian thực, giám sát môi trường và suy luận AI tốc độ cao.
Để xem các tin bài khác về “Sợi quang”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
