Skyrmionit, topologia ja neuroverkot

Etelä-Afrikan Witwatersrandin yliopiston (Wits) tutkijat ovat kehittäneet "valotoimisen aivon", joka pystyy tunnistamaan piilotettua informaatiota monimutkaisissa valokuvioissa, mikä voi mahdollisesti tasoittaa tietä nopeammille viestintäjärjestelmille.

Tutkimus yhdistää Wits Universityn tekoälyn (AI) ja fysiikan asiantuntemuksen osoittaen, kuinka valoa itsessään voidaan käyttää informaation lukemiseen ilman yksityiskohtaisia kuvia tai laajaa tietokonepohjaista prosessointia.

”Suurten aakkosten muodostavien valokuvioiden luominen viestintää varten on hyödyllistä vain, jos pystymme lukemaan niitä yhtä nopeasti kuin pystymme niitä luomaan”, sanoo tohtori Isaac Nape.

”Työmme tarjoaa yksinkertaisemman tavan tehdä se, valitsemalla tarvitsemamme informaation ottamatta ensin yksityiskohtaista kuvaa. Tämä voisi auttaa muuttamaan nämä epätavalliset valon rakenteet käytännöllisiksi informaation kantajiksi tulevaisuuden viestintäjärjestelmille.”

Tutkimustyön otsikko on Syvät diffraktiiviset optiset neuroverkot valon skyrmionisten topologioiden havaitsemiseksi ja niiden reaaliaikaiseksi kouluttamiseksi, kertoo aiheen.

Optiset skyrmionit ovat strukturoidun valon topologisia muotoja, jotka tarjoavat rajattoman koodausaakkoston, joka kestää häiriötä. Niiden käytännön käyttöä kuitenkin rajoittaa topologisen ilmaisimen puuttuminen, koska niiden topologisen muuttumattomuuden perusteella erottuvat tilat eivät välttämättä ole ortogonaalisia.

Witsin tutkijat demonstroivat ensimmäistä determinististä ilmaisinta optisille skyrmioneille käyttämällä reaaliajassa opetettua syvää diffraktiivista neuroverkkoa, jonka koulutusparametrien määrää on vähennetty kertoimella 1000.

Demonstroimme ilmaisimen käyttäen 81 topologiaa, jotka on rakennettu Laguerre-Gaussin vektorimoodien avulla, saavuttaen korkean tarkkuuden jopa kohinatasoilla, jotka estävät perinteisen Stokesin polarimetrian.

Lopuksi lähetämme ja palautamme kuvan, joka on koodattu käyttämällä 15-tasoista topologista aakkostoa, jossa ylikuuluminen on merkityksetöntä, mikä osoittaa käytännöllisen reitin topologiapohjaiseen optiseen tiedonsiirtoon.

Tuloksemme osoittavat, että ilmaisin tunnistaa skyrmionien lukumäärän luotettavasti jopa isotrooppisilla kohinatasoilla, jotka ovat jopa −0,22 dB.

Tutkijoiden mukaan on huomionarvoista, että jopa näissä kohinaolosuhteissa ilmaisin saavuttaa silti täydellisen syötetyn topologisen tilan luokittelun. Lisäksi onnistunut kuvan rekonstruktiomme topologista aakkostoa käyttäen demonstroi D2NN-ilmaisimemme suoran periaatesovelluksen topologiaa käyttävään optiseen tiedonsiirtoon.

Aiheesta aiemmin:

Optiset skyrmionit voivat ohjata magneettisia skyrmionja

Äänisignaalit siruilla? lähes ilman signaalihäviötä