[論文レビュー] Towards polariton neuromorphic engineering

Julian D. Töpfer, Helgi Sigurðsson+2 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2019

Mechanical and Optical Resonators被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、Lang-Kobayashi方程式による時間遅れ付き結合されたStuart-Landau振動子としての力学的挙動を示すことにより、弾道的結合された極子凝縮体を光ニューロモーフィックコンピューティングのプラットフォームとして提案する。この系の制御可能性と複雑な非線形ネットワークに類似した性質は、統合的で高速な再帰的光神経ネットワークの有望な候補である。

ABSTRACT

The ubiquity of nonlinear oscillatory motion is perhaps best demonstrated with a pendulum which is harmonic only at small angles. Just as the harmonic oscillator provides a natural description of bosons in a quantum field, the Stuart-Landau oscillator provides a universal description of nonlinear oscillators close to a Hopf bifurcation. In the case of coupled nonlinear oscillators, time-delayed interactions increase the complexity of many physical systems ranging from coupled lasers, epidemiology, predator-prey, and road traffic systems to neuronal networks. Here, we explore the phase-space of ballistically coupled polariton condensates and demonstrate that the dynamics of the system are driven by the Lang-Kobayashi equation, and in the limit of fast relaxation of the exciton-reservoir feeding the condensates they can be described by time-delayed coupled Stuart-Landau oscillators. The controllability, complexity and similarity of ballistically coupled polariton condensates to many physical interacting systems establishes a strong motivation to apply polaritonics towards continuous recurrent artificial neural networks and is the first step forward in realizing integrated time delayed polariton networks for high speed optical neuromorphic computation.

研究の動機と目的

• 弾道的結合された極子凝縮体の位相空間的力学的挙動を、ニューロモーフィック応用の観点から探求すること。
• 極子系とホップ分岐付近の非線形振動子ネットワークとの間の理論的枠組みを確立すること。
• 高速な励起子-リザボア緩和が時間遅れ付き結合されたStuart-Landau振動子による有効なモデル化を可能にすることを示すこと。
• 光時間遅延を有する統合的で連続時間の再帰的ニューラルネットワークに向けた極子光子技術の利用を促すこと。
• 極子ネットワークを用いたスケーラブルで高速な光ニューロモーフィックコンピューティングアーキテクチャの基盤を築くこと。

提案手法

• 弾道的結合された極子凝縮体の力学的挙動をLang-Kobayashi方程式を用いてモデル化すること。
• 励起子-リザボア緩和が速い領域を同定し、系を時間遅れ付き結合されたStuart-Landau振動子に簡略化すること。
• ホップ分岐付近の非線形振動子の普遍的記述を極子系に適用すること。
• 位相空間解析を用いて結合された凝縮体の複雑な非線形力学的挙動を特徴付けること。
• 極子の力学的挙動と再帰的ニューラルネットワークの力学的挙動との数学的同等性を活用すること。
• 極子ネットワークが連続時間人工ニューラルネットワークの物理的実装として実現可能であることを確立すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弾道的結合された極子凝縮体は、時間遅れ付き結合されたStuart-Landau振動子として記述可能か？
• RQ2 高速な励起子-リザボア緩和は、極子凝縮体の有効な力学的挙動にどのように影響するか？
• RQ3 極子凝縮体は、神経ネットワークのような複雑な非線形系の挙動をどの程度模倣するか？
• RQ4 時間遅れ付き相互作用が、極子凝縮体の集団的力学的挙動をどのように規定するか？
• RQ5 極子系は、スケーラブルで高速な光ニューロモーフィックコンピューティングのプラットフォームとして機能可能か？

主な発見

• 実験的に達成可能な条件下で、弾道的結合された極子凝縮体の力学的挙動はLang-Kobayashi方程式に従う。
• 励起子-リザボア緩和が速い極限において、系は時間遅れ付き結合されたStuart-Landau振動子に簡略化され、非線形力学的挙動の普遍的記述が可能になる。
• 系は制御可能で複雑な挙動を示し、再帰的ニューラルネットワークや他の非線形相互作用系に類似した性質を有する。
• 極子の力学的挙動とニューラルネットワークの力学的挙動との数学的同等性は、それらのニューロモーフィックコンピューティングへの応用を支持する。
• 本研究の結果は、極子ネットワークを基盤とする統合的で高速な光ニューロモーフィックプロセッサの開発に強い基盤を築くものである。