Белорусские ученые экспериментально реализовали искусственный нейрон на основе оптоэлектронной пары «вертикально-излучающий лазер – однофотонный лавинный фотодиод», работающий в малофотонном режиме. О своей работе они рассказали в 2021 году в ведущем журнале по прикладной физике Applied Physics Letters. Коллектив ученых объединил сотрудников Института физики НАН Беларуси имени Б.И. Степанова, ведущего научного сотрудника Центра «Квантовая оптика и квантовая информатика» кандидата физ.-мат. наук Вячеслава Чижевского, академика Сергея Килина и заместителя директора Института физиологии НАН Беларуси академика Владимира Кульчицкого.

Искусственный оптоэлектронный нейрон демонстрирует основные динамические свойства биологических нейронов (на илл.): пороговое возбуждение, независимость амплитуды потенциала действия от интенсивности стимула, наличие абсолютного рефрактерного периода, зависимость частоты возбуждения нейрона от силы стимула. В зависимости от длительности лазерного импульса возбуждения оптоэлектронный импульсный нейрон позволяет реализовать два режима работы, которые связаны с импульсным и частотным типами кодирования в биологических нейронных сетях. Искусственный нейрон имеет предельно простую и надежную схему реализации и позволяет осуществить различные возможности кодирования и масштабирования.

Реализация такой новинки лежит в русле передовых исследований, направленных на разработку оптоэлектронных устройств с динамическими свойствами, аналогичными реальным биологическим нейронам. Этот интерес связан с очень быстрым временем отклика таких устройств по сравнению с биологическими нейронами. Биологический нейрон работает со скоростями до 100 импульсов в секунду, в то время как созданный оптоэлектронный нейрон в миллион раз быстрее.

Искусственные импульсные нейроны, объединенные вместе, образуют физические рекуррентные импульсные нейронные сети, важные в том числе и для создания варианта нейроморфных компьютеров, резервуарных компьютеров. В этом контексте использование искусственного оптоэлектронного нейрона на основе вертикально-излучающих лазеров и однофотонных лавинных фотодиодов имеет ряд преимуществ благодаря низкой рабочей мощности, микронным размерам, невысокой стоимости и воз­можности реализации крупномасштабных линейных и двумерных массивов искусственных нейронов.

Одна из возможных реализаций искусственной оптоэлектронной нейронной сети может быть представлена в виде многослойной структуры, состоящей из слоев массивов лазеров и фотодиодов, разделенных слоем оптических аттенюаторов и соединенных в соответствии с разработанной архитектурой сети.

Вячеслав Чижевский,

Институт физики НАН Беларуси