[论文解读] Analog input layer for optical reservoir computers

François Duport, Akram Akrout+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2014

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 15被引用 7

一句话总结

本文提出一种用于光子储层计算机的模拟输入层，以单个或两个正弦波的谐波调制替代数字预处理。数值仿真与实验结果表明，双正弦调制可实现与最先进数字预处理相当的性能，从而实现完全模拟、超宽带的储层计算系统。

ABSTRACT

Reservoir computing is an information processing technique, derived from the theory of neural networks, which is easy to implement in hardware. Several reservoir computer hardware implementations have been realized recently with performance comparable to digital implementations, which demonstrated the potential of reservoir computing for ultrahigh bandwidth signal processing tasks. In all these implementations however the signal pre-processing necessary to efficiently address the reservoir was performed digitally. Here we show how this digital pre-processing can be replaced by an analog input layer. We study both numerically and experimentally to what extent the pre-processing can be replaced by a modulation of the input signal by either a single sine-wave or by a sum of two sine functions, since harmonic oscillations are particularly easy to generate in hardware. We find that the modulation by a single sine gives performance worse than state of the art. On the other hand, on many -but not all- tasks, the modulation by two sines gives performances comparable to the state of the art. The present work thus represents an important step towards fully autonomous, ultrahigh bandwidth analog reservoir computers.

研究动机与目标

• 通过用模拟输入层替代数字预处理，消除光子储层计算中的数字预处理。
• 探究通过正弦波进行谐波调制是否能有效编码输入信号以用于储层计算。
• 在数值仿真与实验设置中，评估单正弦与双正弦调制的性能表现。
• 通过最小化数字信号处理，实现完全自主、超宽带的模拟储层计算系统。

提出的方法

• 实现一种模拟输入层，通过单个正弦波或两个正弦波的和对输入信号进行调制。
• 使用易于在硬件中生成的谐波振荡，替代数字预处理以塑造输入信号。
• 将调制后的信号输入光子储层（如非线性光纤或基于延迟的系统）以执行信息处理。
• 通过数值仿真分析不同调制方案下的系统行为。
• 利用基于马赫-曾德尔干涉仪的调制器，在光子储层中进行实验验证，测试双正弦输入。
• 在标准储层计算任务上，将模拟输入层的性能与数字预处理基准进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 单正弦波调制是否能在光子储层计算中替代数字预处理并保持可接受的性能？
• RQ2 双正弦调制在储层计算准确率与鲁棒性方面是否优于单正弦调制？
• RQ3 模拟谐波调制在多大程度上可实现与数字预处理相当的储层计算性能？
• RQ4 是否存在某些任务中，采用双正弦调制的模拟输入层可匹配或超越最先进数字实现？
• RQ5 所提出的模拟输入层是否能实现完全自主、超宽带的储层计算系统？

主要发现

• 单正弦调制的性能劣于最先进数字预处理，表明其信号编码能力不足。
• 双正弦调制在多数但非全部基准任务上实现了与最先进数字预处理相当的性能。
• 实验设置成功验证了在光子储层计算机中使用双正弦输入层的可行性，支持实时信号处理。
• 采用谐波振荡进行调制可实现硬件友好、低复杂度的模拟预处理，适用于超宽带应用场景。
• 本研究结果标志着向完全自主、全光学储层计算系统迈出了关键一步，且数字干预极少。