الذكاء الاصطناعي بسرعة الضوء: كيف يمكن للألياف الزجاجية أن تحل محل أدمغة السيليكون

أدمغة السيليكون

أظهرت الدراسة التي أجراها باحثا ما بعد الدكتوراه، الدكتورة ماتيلد هاري من جامعة تامبيري، والدكتور أندريه إرمولايف من جامعة ماري ولويس باستور في بيزانسون، كيف يُمكن لضوء الليزر داخل ألياف زجاجية رقيقة أن يُحاكي طريقة معالجة الذكاء الاصطناعي للمعلومات. وقد بحث عملهما في نوع مُعين من هياكل الحوسبة يُعرف باسم “آلة التعلم المُتطرفة”، وهو نهج مُستوحى من الشبكات العصبية.

“بدلاً من استخدام الإلكترونيات والخوارزميات التقليدية، يتم إجراء الحسابات من خلال الاستفادة من التفاعل غير الخطي بين نبضات الضوء المكثفة والزجاج”.

تقترب الإلكترونيات التقليدية من حدودها القصوى من حيث عرض النطاق الترددي، ومعدل نقل البيانات، واستهلاك الطاقة. تتزايد نماذج الذكاء الاصطناعي حجمًا، وتستهلك طاقة أكبر، ولا تستطيع الإلكترونيات معالجة البيانات إلا بسرعة محددة. من ناحية أخرى، تستطيع الألياف الضوئية تحويل إشارات الإدخال بسرعات أسرع بآلاف المرات، وتضخيم الفروقات الطفيفة عبر تفاعلات غير خطية شديدة لجعلها واضحة.

نحو حوسبة فعالة

في عملهم الأخير، استخدم الباحثون نبضات ليزر فيمتوثانية (أقصر بمليار مرة من وميض الكاميرا) وأليافًا بصرية تحصر الضوء في مساحة أصغر من جزء من شعرة الإنسان، وذلك لإثبات مبدأ عمل نظام ELM البصري. النبضات قصيرة بما يكفي لاحتواء عدد كبير من الأطوال الموجية أو الألوان المختلفة. بإرسالها إلى الألياف بتأخير نسبي مُشفّر وفقًا لصورة، أظهروا أن طيف الأطوال الموجية الناتج عند مخرج الألياف، والذي حُوّل بالتفاعل غير الخطي للضوء والزجاج، يحتوي على معلومات كافية لتصنيف الأرقام المكتوبة بخط اليد (مثل تلك المستخدمة في معيار الذكاء الاصطناعي الشهير MNIST). ووفقًا للباحثين، فقد وصلت أفضل الأنظمة إلى دقة تزيد عن 91%، وهي دقة قريبة من أحدث الطرق الرقمية، في أقل من بيكو ثانية واحدة.

والأمر المثير للدهشة هو أن أفضل النتائج لم تحدث عند أقصى مستوى من التفاعل غير الخطي أو التعقيد؛ بل من خلال التوازن الدقيق بين طول الألياف، والتشتت (الفرق في سرعة الانتشار بين الأطوال الموجية المختلفة) ومستويات الطاقة.

يقول هاري: “الأداء لا يقتصر على ضخّ طاقة أكبر عبر الألياف، بل يعتمد على دقة هيكلة الضوء في البداية، أي كيفية ترميز المعلومات، وكيفية تفاعلها مع خصائص الألياف”.

ومن خلال الاستفادة من إمكانات الضوء، قد يمهد هذا البحث الطريق نحو طرق جديدة للحوسبة مع استكشاف طرق نحو هياكل أكثر كفاءة.

ويتابع إيرمولاييف: “تُظهر نماذجنا كيف يؤثر التشتت واللاخطية وحتى الضوضاء الكمومية على الأداء، مما يوفر معرفة بالغة الأهمية لتصميم الجيل التالي من أنظمة الذكاء الاصطناعي البصري الإلكتروني الهجين”.

تعزيز اللاخطية البصرية من خلال البحث التعاوني في مجال الذكاء الاصطناعي والفوتونيات

يتمتع كلا الفريقين البحثيين بخبرة عالمية مرموقة في مجال التفاعلات غير الخطية بين الضوء والمادة. يجمع تعاونهما بين الفهم النظري والقدرات التجريبية المتطورة لتسخير اللاخطية البصرية في تطبيقات متنوعة.

يوضح هذا العمل كيف يُمكن للأبحاث الأساسية في مجال الألياف الضوئية غير الخطية أن تُسهم في تطوير مناهج جديدة في الحوسبة. ومن خلال دمج الفيزياء والتعلم الآلي، نفتح آفاقًا جديدة نحو أجهزة ذكاء اصطناعي فائقة السرعة وموفرة للطاقة ، كما يقول البروفيسور جوري جينتي من جامعة تامبيري، وجون دادلي ودانيال برونر من جامعة ماري ولويس باستور، واللذان قادا الفرق البحثية.

يجمع البحث بين الألياف الضوئية غير الخطية والذكاء الاصطناعي التطبيقي لاستكشاف أنواع جديدة من الحوسبة. يهدف الفريق مستقبلًا إلى بناء أنظمة بصرية مدمجة بالرقائق، قادرة على العمل آنيًا وخارج المختبر. تتراوح التطبيقات المحتملة بين معالجة الإشارات آنيًا، ومراقبة البيئة، واستنتاج الذكاء الاصطناعي عالي السرعة.