Cerrahi robotlar ve yüksek hızlı finansal işlemler gibi birçok gelişmiş yapay zekâ (YZ) sistemi, büyük miktarda ham veriyi neredeyse anında işleyerek önemli özellikleri tanımlamaya dayanır. Ancak geleneksel dijital işlemciler fiziksel sınırlarına ulaşmak üzere. Bu elektronik sistemler, veri ağırlıklı yeni nesil uygulamaların ihtiyaç duyduğu hız ve veri kapasitesini sunmakta zorlanıyor, bu da daha yavaş performans ve daha yüksek gecikmeye yol açıyor. Araştırmacılar bu sınırları aşmanın anahtarının elektriğin yerine ışığı kullanmak olabileceğine inanıyor. Bu yeni yaklaşım, optik hesaplama olarak biliniyor ve ışığı kullanarak karmaşık hesaplamaları olağanüstü hızda gerçekleştirmeyi mümkün kılıyor. Bu alandaki en umut verici teknolojilerden biri ise, ışığın içinden geçerken hesaplama yapan ince tabaka benzeri optik kırınım operatörlerini içeriyor.
Bu sistemler son derece enerji verimli ve aynı anda birden fazla veri akışını işleyebiliyor. Ancak 10 GHz’in üzerinde çalışma hızlarına ulaşmak zor oldu çünkü bu, son derece kararlı ve koherent (eş fazlı) ışık gerektiriyor ki bunu sağlamak oldukça zor.
Çin’deki Tsinghua Üniversitesi’nden Profesör Hongwei Chen liderliğindeki bir ekip, bu zorluğa yenilikçi bir çözüm geliştirdi. Advanced Photonics Nexus dergisinde detaylandırıldığı üzere, araştırmacılar, gerçek dünya uygulamalarında optik tabanlı veri analizi gerçekleştirebilen bir optik özellik çıkarım motoru (OFE2) geliştirdi.
Çekirdek yenilik, OFE2’nin veri hazırlama modülünde yer alıyor. Koherent bir ortamda çalışan optik çekirdekler için yüksek hızlı ve paralel optik sinyaller sağlamak büyük zorluklar içeriyor; çünkü fiber tabanlı bileşenlerin kullanımı, güç bölme ve gecikme işlemlerinde güçlü faz bozulmalarına yol açıyor. Ekip, bunun yerine ayar yapılabilen güç bölücüler ve hassas gecikme hatları içeren entegre bir çip üstü sistem geliştirdi. Bu modül, gelen veri akışını birçok kararlı paralel dala örnekleyerek etkin biçimde seri bağlantıyı çözüyor. Ayrıca ayarlanabilir entegre bir faz dizisi sayesinde OFE2 gerektiğinde yeniden yapılandırılabiliyor.
Veriler hazırlandıktan sonra, optik dalgalar kırınım operatöründen geçiyor. Bu süreç, matematiksel olarak matris-vektör çarpımı şeklinde modelleniyor ve özellik çıkarımı yapıyor. İşlemin anahtarı, kırınıma uğrayan ışığın çıkışta odaklanmış bir "parlak nokta" oluşturması. Bu ışık, paralel giriş ışıklarının fazı ayarlanarak belirli bir çıkış portuna yönlendirilebiliyor. Bu hareket ve buna karşılık gelen çıkış gücündeki değişim, OFE2’nin giriş sinyalindeki zamansal değişimlerle ilgili özellikleri etkin şekilde yakalamasını sağlıyor.
12.5 GHz hızında çalışan OFE2, tek bir matris-vektör çarpımını 250,5 pikosaniyeden daha kısa sürede gerçekleştirebiliyor — benzer optik hesaplama sistemleri arasında en düşük gecikme. Chen, “Bu çalışmanın, entegre optik kırınım hesaplamasını gerçek dünya uygulamalarında 10 GHz sınırının ötesine taşımada önemli bir kıstas sağladığına inanıyoruz” diyor.
Araştırma ekibi, önerilen sistemin farklı görevlerdeki yeteneklerini başarıyla gösterdi. Görüntü işleme görevinde, OFE2 giriş görüntülerinden kenar özelliklerini çıkararak iki tamamlayıcı “kabartma ve oyma” özellik haritası oluşturdu. OFE2’nin ürettiği bu özellikler, görüntü sınıflandırma performansını artırdı ve bilgisayarlı tomografi taramalarında organların tanımlanması gibi semantik segmentasyon görevlerinde piksel doğruluğunu yükseltti. Özellikle, OFE2 kullanan yapay zekâ ağları, temel sistemlerden daha az elektronik parametre gerektirdi. Bu da optik ön işlemeyle daha hafif ve verimli hibrit YZ sistemlerinin mümkün olduğunu kanıtladı.
Ayrıca, ekip bir dijital alım satım görevi için benzer sonuçlar elde etti. Bu görevde OFE2, zaman serisi halinde piyasa verilerini aldı ve optimize edilmiş bir stratejiye dayalı kârlı işlem önerileri sundu. Yatırımcılar gerçek zamanlı fiyat sinyallerini OFE2’ye girdikten sonra, daha önce eğitilmiş sistem çıkış sinyalleri üreterek bunları basit bir karar süreciyle alım veya satım eylemlerine dönüştürüyor. Bu süreç ışık hızında gerçekleştiği için, minimum gecikmeyle maksimum kâr sağlanabiliyor.