[논문 리뷰] Towards polariton neuromorphic engineering

Julian D. Töpfer, Helgi Sigurðsson외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 22.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 실험적으로 접근 가능한 조건에서 탄도 결합된 폴라리톤 응축체의 역학이 랑-코바야시 방정식에 의해 시간지연된 결합 스타트-랜드우 진동자에 의해 지배됨을 보여줌으로써, 광학 뉴로모픽 계산을 위한 플랫폼으로 폴라리톤 응축체를 제안한다. 이 시스템의 제어 가능성과 복잡한 비선형 네트워크와의 유사성은 통합형 고속 순환 광학 신경망에 있어 유망한 후보가 된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 탄도 결합된 폴라리톤 응축체의 위상공간 역학을 뉴로모픽 응용을 위해 탐구하기.
• 폴라리톤 시스템과 허프 분기 근처의 비선형 진동자 네트워크를 연결하는 이론적 프레임워크 수립하기.
• 빠른 엑시톤-저지수 재결합이 시간지연된 결합 스타트-랜드우 진동자로 효과적인 모델링을 가능하게 함을 입증하기.
• 광학적 시간지연을 갖춘 통합형 연속시간 순환 신경망을 위한 폴라리톤의 사용을 촉진하기.
• 폴라리톤 네트워크를 이용한 확장 가능하고 고속의 광학 뉴로모픽 계산 아키텍처의 기초 마련하기.

제안 방법

• 탄도 결합된 폴라리톤 응축체의 역학을 랑-코바야시 방정식을 사용하여 모델링하기.
• 빠른 엑시톤-저지수 재결합 조건에서 시스템이 시간지연된 결합 스타트-랜드우 진동자로 단순화되는 영역 식별하기.
• 허프 분기 근처의 비선형 진동자에 대한 보편적 기술을 폴라리톤 시스템에 적용하기.
• 위상공간 분석을 통해 결합된 응축체의 복잡한 비선형 역학 특성 기술하기.
• 폴라리톤 역학과 순환 신경망 역학 간의 수학적 등가성 활용하기.
• 폴라리톤 네트워크가 연속시간 인공신경망의 물리적 실현 가능성을 확립하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탄도 결합된 폴라리톤 응축체는 시간지연된 결합 스타트-랜드우 진동자로 기술될 수 있는가?
• RQ2 빠른 엑시톤-저지수 재결합은 폴라리톤 응축체의 효과적 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 폴라리톤 응축체는 뉴런 네트워크와 같은 복잡한 비선형 시스템의 행동을 어느 정도 모방하는가?
• RQ4 시간지연 상호작용은 폴라리톤 응축체의 집단적 역학을 어떻게 형성하는가?
• RQ5 폴라리톤 시스템은 확장 가능하고 고속의 광학 뉴로모픽 계산 플랫폼으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 탄도 결합된 폴라리톤 응축체의 역학은 실험적으로 접근 가능한 조건에서 랑-코바야시 방정식에 의해 지배된다.
• 빠른 엑시톤-저지수 재결합의 극한에서 시스템은 시간지연된 결합 스타트-랜드우 진동자로 단순화되며, 이는 비선형 역학의 보편적 기술을 가능하게 한다.
• 이 시스템은 제어 가능한 복잡한 행동을 보이며, 순환 신경망 및 기타 비선형 상호작용 시스템과 유사하다.
• 폴라리톤 역학과 신경망 역학 간의 수학적 등가성은 이들의 뉴로모픽 계산 응용에서의 사용을 뒷받침한다.
• 결과적으로, 폴라리톤 네트워크를 기반으로 한 통합형 고속 광학 뉴로모픽 프로세서 개발을 위한 견고한 기초를 마련한다.