10.12.2020

Photonik als Plattform für KI

Optische Technologien bieten ein enormes Potenzial für zukünftige KI-Systeme.

Ein internationales Forscherteam aus den USA, Frankreich, Deutschland und der Schweiz zeigt den Weg von optischen neuronalen Netzen und Rea­lisierungen des optischen Rechnens der letzten fünfzig Jahre auf und beschreibt die Entwicklungen bis hin zu Anwendungen der photonischen künstlichen Intelligenz. Dazu bündelten die Forscher ihre Expertise auf den Gebieten der optischen neuronalen Netze, des optischen Lernens und des photo­nischen Rechnens. Das Team um Cornelia Denz vom Institut für Angewandte Physik der Universität Münster erörterte dabei vielver­sprechende Entwicklungen und Heraus­forderungen für zukünftige photonische künstliche Intelligenz und ihre Anwendungen der nächsten Generation in den Bereichen Wissens­repräsentation, Lernen, Planung und Wahrnehmung.

Abb.: Illustration: Optik und Photonik als ideale Plattform zukünftiger...
Abb.: Illustration: Optik und Photonik als ideale Plattform zukünftiger KI-Systeme. (Bild: E. Otte, WWU)

In der von Maschinen demonstrierten Intelligenz agieren intelligente Agenten: Sie nehmen ihre Umgebung wahr und führen Handlungen aus, um ihre Chance zu erhöhen, ein bestimmtes Ziel zu erreichen. Viele dieser Aufgaben erfordern zum Lernen oder zur Verarbeitung riesiger Daten­mengen eine gleichzeitige, schnelle und energie­sparende Ausführung. Die Optik spielt in diesem Zusammenhang eine wesentliche Rolle: Das optische Rechnen ist einerseits in der Lage, die Bedürfnisse der künstlichen Intelligenz zu erfüllen. Anderer­seits bietet es zahlreiche Ansätze für bildbasierte und visuelle Umsetzungen der künst­lichen Intelligenz.

Besonders wenn es um das „deep learning“ mit mehreren Schichten eines neuronalen Netzes der künstlichen Intelligenz geht, ist die Optik vorteilhaft, da sie auf natürliche Weise Millionen von Daten parallel verarbeitet. Die Bilder­kennung und -filterung sowie die paralle­lisierte Matrix-Multi­plikation machen die Optik und Photonik zu idealen Kandidaten für den Einsatz künstlicher Intelligenz. So können zum Beispiel lineare optische Elemente als Neben­produkt der Licht-Materie-Wechselwirkung oder der Licht­ausbreitung mit Licht­geschwindigkeit Faltungen, Fourier-Trans­formationen, Zufalls­projektionen und viele andere Operationen ohne jeden Aufwand berechnen.

„Da diese Operationen die grund­legenden Bausteine jeder tiefen neuronalen Netzwerk­architektur sind, die die meisten modernen visuellen Rechen­algorithmen antreiben, birgt die Photonik ein enormes Transformations­potenzial für zukünftige Systeme der künstlichen Intelligenz. In den letzten zwanzig Jahren hat die Entwicklung optischer Komponenten zu einer räumlichen und zeitlichen Auflösung geführt, die visuelle Computer­anwendungen mit Photonik wesentlich vielseitiger macht als ihre elek­tronischen Pendants“, sagt Cornelia Denz.

WWU Münster / JOL

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