Un pas vers l’ordinateur quantique

Les systèmes d’apprentissage profond sont de plus en plus développés par les industries informatiques. Ils sont fréquemment utilisés dans les technologies de reconnaissance visuelle et vocale et sont également très présents dans les domaines de la recherche pharmaceutique et de la santé. Cette forme d’intelligence fonctionne grâce aux réseaux de neurones artificiels qui imitent le système cérébral. Les réseaux de neurones nécessitent des ordinateurs très puissants et qui consomment beaucoup d’énergie. Toutefois les architectures électroniques développées de nos jours ne sont pas adaptées à ces réseaux.

En effet, les puces conventionnelles CPU ou GPU, fréquemment utilisées dans ce genre d’architecture, ne sont pas assez performantes pour supporter les opérations de calcul matriciel et la quantité de tâches effectuées par les réseaux de neurones.

Pour rendre certains systèmes d’apprentissage profond plus efficients, plus rapides et moins énergivores, une équipe multidisciplinaire a créé un réseau de neurones artificiels qui utilise les photons pour le traitement des informations, autrement dit qui fonctionne grâce à la lumière au lieu de l’électricité. Cette équipe a réuni des chercheurs du Research Laboratory of Electronics du Massachussetts Institute of Technology (MIT), de l’Université de Sherbrooke à Québec et d’Elenion Technologies à New York.

Il s’agit d’une technologie qui s’apparente aux ordinateurs dits optiques ou photoniques, dont les recherches conceptuelles remontent aux années 1970. L’impossibilité de miniaturisation des composants optiques de cette époque a entravé le développement de ce concept et son industrialisation.

Le principe de l’ordinateur photonique

Fonctionnement du processeur nanophotonique programmable

L’équipe a réussi à concevoir un modèle d’architecture optique performante dont l’un des composants principaux a été testé et pourra, dans une prochaine étape, être développé pour l’industrie. Marin Soljacic, professeur de physiques, spécialiste en photonique au MIT et coauteur de cette étude, a précisé que son équipe est parvenue à réaliser et à tester seulement une partie de cette architecture à savoir le processeur nanophotonique programmable.

Fonctionnement du processeur nanophotonique

Rappelons que dans un ordinateur classique, le transfert et le traitement de l’information s’effectuent par les électrons et grâce à leurs interactions. Par analogie, dans un ordinateur optique, les informations sont transportées par les photons.

Or maîtriser la trajectoire d’un photon est techniquement difficile. Le recours aux guides optiques, comme la fibre optique, complique la mise en forme de la structure du dispositif, transistor ou processeur, et l’architecture de l’ordinateur. De plus l’interaction des photons, qui assure la liaison des informations reçues et traitées, nécessite la mise en œuvre de cavités optiques, qui permettent de maîtriser l’interférence des ondes et d’assurer leurs projections continuelles, ce qui rend également le système encombrant. La projection continuelle des ondes à l’intérieur des cavités optiques assure la fonction de mémorisation de l’information dans l’unité informatique en question.

La façon dont les faisceaux lumineux effectuent des calculs dans les nouveaux processeurs photoniques ressemble au principe des systèmes électroniques.  Concernant cette nouvelle approche, elle utilise plusieurs faisceaux de lumière dirigés convenablement de manière à ce que leurs ondes interagissent les unes avec les autres, produisant des modèles d’interférence qui transmettent le résultat de l’opération prévue.

Pour maîtriser la trajectoire des photons et créer les interférences des faisceaux lumineux, les chercheurs se sont inspirés du dispositif optique de l’interféromètre de Mach-Zehnder. Le processeur, créé par l’équipe, comporte un réseau en cascade de 56 interféromètres de Mach-Zehnder programmables dans un circuit intégré photonique en silicium.

Le dispositif Mach-Zehnder permet une maîtrise inégalable des trajectoires parcourues par les photons contrairement aux autres cavités optiques (or le dispositif est connu pour être très difficile à réaliser). Le dispositif divise une onde incidente en deux ondes distinctes, dont les coefficients de réflexion et de transmission sont égaux à 50 %, grâce à un séparateur de faisceau. Ces ondes parcourent chacune une trajectoire différente avant de se réfléchir chacune sur un miroir et retraversent par la suite le séparateur de faisceaux où chaque onde subit à la fois une réflexion et une transmission. Une fois déclenché, ce processus fonctionne continuellement.

Le dispositif Mach-Zehnder

Les chercheurs ont configuré le processeur nanophotonique programmable afin d’implanter un réseau neuronal qui reconnaît quatre sons vocaux de base. Grâce à ce prototype expérimental, ils ont atteint un niveau de précision de 77 % contre environ 90 % pour les systèmes classiques.

Rédigée par Yichen Shen, Nicholas C. Harris, Scott Skirlo, Mihika Prabhu,Tom Baehr-Jones, Michael Hochberg, Xin Sun, Shijie Zhao, Hugo Larochelle, Dirk Englund et Marin Soljačić, cette étude s’intitule « Deep learning with coherent nanophotonic circuits » et a été publiée dans la revue Nature Photonics le 12 juin 2017.

Cette recherche a été financée par l’ U.S. Army Research Office par  l’Institute for Soldier Nanotechnologies, la National Science Foundation, and l’Air Force Office of Scientific Research.