Цивилизация
Искусственный интеллект на фотонах
— В прошлом году вы рассказывали о создании в НЦФМ прорывной разработки — светового вычислителя, который работает не с электронами, а с фотонами. Удалось ли его где-то применить?
— Да. В ближайшее время этот световой вычислитель с обученной оптической нейросетью будет ставиться на беспилотники. Это исключительно актуальная задача, которая была поставлена в рамках научной программы НЦФМ, и она решена. Хочу особенно отметить здесь вклад ученых Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (РФЯЦ ВНИИЭФ г.Саров) и Самарского аэрокосмического университета.
— Это автономная система или она связывается с оператором через спутник?
— Это абсолютно автономная система. Можно поставить наш вычислитель на БПЛА и он сам будет распознавать и принимать решения. Это просто автономный маленький мозг, натренированный на то, чтобы различать в наблюдаемом изображении определенное количество важных объектов.
— А есть где производить их в России?
— Да, все возможности для производства у нас в стране есть.
— Если такой беспилотник падает, его разбирают на части, вытаскивают световой вычислитель, — они смогут его подключить?
— Можно изучить, что там записано, но понять, как это работает и сам способ обучения нейросети будет невозможно.
Академик РАН Александр Сергеев
Томский политехнический университет— То есть опять наши американские партнеры будут в своих лабораториях смотреть на странный кубик в несколько сантиметров и говорить: мы не понимаем, как эти штуки работают. Само по себе это устройство, которое ставится на БПЛА, — большое?
— Несколько сантиметров. И внутри него матрица с элементами, каждый из которых — несколько микрон. Объем 1000 на 1000 элементов превращается в несколько сантиметров. Каждый из этих пикселей — это оптическая среда, проходя через которую оптическое излучение меняет свои свойства.
Оптической средой, в частности, могут быть так называемые жидкие кристаллы, они достаточно быстро обучаемы и переобучаемы.
— Так в световых вычислителях цифра вообще не используется?
— Нет, это аналоговый процессор. Мы здесь работаем не с числами, где в результате получаем большое число знаков после запятой. Это обработка видеоизображения с целью выделения определённых объектов, которые мы хотим найти.
Беспилотники должны в том изображении, которое они непрерывно получают с помощью своих камер, уметь очень быстро выделять объекты с определенными характеристиками. И здесь наши фотонные сопроцессоры (световые вычислители) показали совершенно замечательные результаты.
Образ, который принимается на камеру, пропускается через матрицу, которая называется фазовым экраном, и оптическое поле, несущее изображение, в каждом из пикселей параллельно «домножается» на свой коэффициент.
— Это похоже на обучение и использование искусственных нейронных сетей?
— Да, очень похоже. Когда рисуется схема, как работает искусственная нейронная сеть, и как работает оптическая система, — поражаешься тому, что это не только по форме, но и по сути одно и то же. Однако в нашем случае нет никаких цифровых вычислительных операций. Это есть просто распространение света и аналоговое «домножение» оптического поля на набор коэффициентов. А эти коэффициенты вы программируете, то есть обучаете эту систему, чтобы она отличала забор от колодца, а девушку от тракториста.
— Можно ли сказать, что работа светового вычислителя в данном случае похожа на работу глаза?
— Да, это действительно похоже на глаз, который при обработке сигнала в мозге выделяет особенные признаки и классифицирует изображения.
— Какое развитие дальше?
— У нас два пути развития технологии . Первый, как я говорил выше, мы обучили нашу дифракционную (световую) нейронную сеть, на то, чтобы она различала условно 15 объектов и сейчас отправляем ее в автономный полет.
Второй вариант: если вы эту видеоинформацию получаете большим потоком, в котором распознаваемые объекты принадлежат различным классам, можно создать стационарный комплекс, в котором работает несколько световых ИИ, по-разному обученных.
Академик РАН Александр Сергеев
Томский политехнический университетНужны стационарные комплексы, которые способны переходить от одного набора объектов, которые они различают и ищут, к другому набору объектов. Кого-то интересуют картинки из далекого космома, другой смотрит, как у него урожай зреет на полях, третий мониторит небо, пытаясь обезопасить планету от астероидов, а четвертый — получает и анализирует информацию доверенного плана со спутников низкоорбитальной группировки.
И вот этот вот комплекс не содержит универсальных вычислительных процессоров, но умеет быстро выделять нужную информацию.
— Насколько быстро?
— Мы хотим довести скорость обработки информации до эквивалента, соответствующего 1021 операций в секунду. Напомню, что сейчас самые высокопроизводительные универсальные процессоры, это 1018 операций в секунду. За счёт того, что у нас будет много оптических сопроцессоров внутри стационарного комплекса, — ну, скажем, 100 или 1000 сопроцессоров, — мы сможем поднять производительность очень высоко.
— А какая скорость сейчас?
— Мы получили здесь 1017 операций в секунду на одном сопроцессоре. Это уже исключительно много для первого класса задач и лучший результат работы ученых НЦФМ за этот год.
Часы для ближнего и дальнего космоса
— Какими еще результатами можете похвастаться?
— Мы приступили к проекту создания суперточных ядерных оптических часов. Они нужны для того, чтобы движущийся объект всегда точно знал, где он находится в пространстве без связи с глобальными навигационными системами. Я имею в виду и ближние полеты внутри атмосферы, и дальний космос.
— Ну раньше летчики ведь ориентировались как-то без навигатора, без спутников?
— Конечно, ориентировались. Ведь были и существуют сейчас гироскопы (устройство, которое помогает определить ориентацию объекта в пространстве за счёт движения вращающегося тела) и акселерометры (датчик, который фиксирует любое изменение скорости или направления движения).
Наша задача — создать устройство, которое работало бы без глобальных навигационных систем, но было бы гораздо более точным, чем гироскопы и акселерометры. Если вы с традиционным промышленным акселерометром и гироскопом куда-то летите, — ошибка накапливается, и через час оказывается, что вы находитесь в точке, которая отличается от нужной вам на расстояние в 100 метров.
— То есть, в идеале, нужно летать весь день без навигатора и отклониться от нужной точки, допустим, на сантиметр?
— Да. Современные, в том числе и квантовые сенсоры, позволяют здесь очень хорошо продвинуться вперед и решить задачу автономной навигации с высочайшей точностью, которую не дают даже ГЛОНАСС и GPS.
Для этого необходимы очень совершенные часы, которые могут показывать ваше положение в гравитационном поле с сантиметровой точностью.
— И вы такие создаете?
— Да, это, можно сказать, неизбежное наше занятие, поскольку создаются так называемые ядерные оптические часы. НЦФМ и Росатом занимаются эти проектом, потому что идет работа с атомами тория -229. Работать с изотопами, ну, в том числе и с радиоактивными изотопами – это прерогатива, ответственность и обязанность Росатома. То есть, без нас в России это делать невозможно.
Хочу отметить уже имеющиеся в этом направлении результаты, полученные в Национальном ядерном исследовательском университете МИФИ — важнейшим участнике нашей кооперации. Мировые достижения последних лет обусловлены тем, атомы изотопа тория-229 удалось в больших количествах поместить во внутрь оптического кристалла. Представьте такой кубик в миллиметр (кубический объем), в который имплантировано 1015 атомов тория. Это и есть фантастически точный квантовый сенсор, в котором работает ядерный переход. Самые точные в мире — не атомные, как раньше, — а ядерные оптические часы.
— Атомные часы на атомах цезия тоже вроде были поразительно точными. Но ученые хотят еще точнее. Зачем нужна такая точность? Мы что, хотим ещё 14 миллиардов лет прожить и убедиться, что они на 10 миллисекунд опоздали?
— Есть известная общая теория относительности, из которой следует, что ход времени меняется в зависимости от гравитационного поля. Время, которое вот у нас сейчас здесь идет, и время, которое идет этажом выше, — течет по-разному. На верхних этажах время движется быстрее, чем на нижних. Мы всегда шутим, что общая теория относительности говорит: не нужно покупать жилье на верхних этажах, — быстрее состаритесь.
Так вот, мы создаем часы, которые позволят увидеть эту разницу. Это даст возможность создать систему ориентации по гравитационному полю. Такие часы смогут показывать ваше положение в гравитационном поле с сантиметровой точностью. И они компактные.
— Так что, можно подлететь к черной дыре и увидеть, как замедляется время?
— Да. Только сейчас нужно еще создать компактную лазерную систему, а не размером с дом. Все это мы можем изготовить, не прибегая к помощи других стран.
В дальнем космосе нет никакой навигации, «глонассы» работать не будут. И создание систем, которые могут быть помещены на спутник, с возможностью точно определить где этот спутник находится, — необходимо.
Лазерный интернет
— Я знаю, что вы еще в НЦФМ решаете «задачу последней мили»?
— Да, эта задача провести устойчивый интернет там, где оптоволокно проложить невозможно. Дальше распределение сигнала по пользователям идет через атмосферу. Поскольку рабочая длина волны в системах волоконно-оптической связи — это полтора микрона, в этом же диапазоне пытаются передавать и беспроводным образом.
Но этот диапазон сильнейшим образом подвержен влиянию атмосферы, --дождь, снег, туман, — все влияет.
Поэтому встает вопрос, можем ли мы сделать беспроводную связь устойчивой, независимо от того, как меняется погода? Наши ученые выяснили: можем, но для этого надо переходить в другой диапазон длин волн, — это уже не полтора микрона, а 4 микрона, 8 микрон и так далее. И встаёт сразу несколько вопросов.
Первый: есть ли оптические устройства – лазеры, детекторы и тому подобное, с помощью которых это можно сделать? Второй: а какие есть особенности распространения излучения в атмосфере в этих диапазонах?
— А сколько вы хотите передавать информации в секунду?
— Ну, конечно, нам хотелось бы гигабит в секунду передавать, потому что это та скорость трафика, которую мы сейчас используем в волокне, чтобы, допустим, спокойно смотреть кино. Перед нами стоит задача создания устойчивой связи на основе новой компонентной базы.
Наши коллеги из РФЯЦ ВНИИЭФ продемонстрировали в эксперименте у нас в Сарове, что это возможно, если мы применим так называемые квантово-каскадные лазеры. Это уже не новый, но пока ещё не очень широко внедренный тип лазеров. Квантово-каскадная генерация была впервые предложена в России, в питерском Физтехе, но потом эта тематика у нас в стране активно не развивалась. Сейчас же идет возвращение этой тематики, стимулированное беспроводной связью.
Физико-технический институт имени Иоффе в последние годы на определенных длинах волн этого излучения поставил несколько мировых рекордов по мощности излучения. Мощность уже такая, что на ее базе можно создать метеоустойчивую беспроводную связь.
— А кто будет выпускать эти устройства?
— Есть такая замечательная наша компания, называется «Мостком», которая в Рязани базируется. Это наш российский лидер. Они в этом проекте видят огромные рынки. Ну и, естественно, те институты, которые разрабатывают эту аппаратуру.
