Новый оптический синапс обещает прорыв в энергоэффективности машинного зрения

Группа физиков из Нидерландов и Южной Кореи создала искусственный синапс, работающий полностью на оптических принципах. В основе устройства — кристалл, легированный стронцием, европием и диспрозием, обладающий эффектом долгой люминесценции. Материал способен «запоминать» предыдущие световые импульсы и менять интенсивность свечения в зависимости от частоты и последовательности облучения.

Как работает оптический синапс

В ходе экспериментов учёные направляли на кристалл пары световых импульсов: ультрафиолетовые и инфракрасные. Ультрафиолетовый свет выступал усилителем — первая вспышка заполняла структурные ловушки зарядом, и при повторном импульсе вся энергия преобразовывалась в свечение, давая более яркий отклик. Инфракрасный свет, напротив, опустошал ловушки, и второй сигнал оказывался тусклее первого. Такое поведение идеально имитирует пластичность синапса: сила связи между «нейронами» меняется в зависимости от предыстории стимуляции.

Практическое применение протестировали, покрыв плёнкой из этого кристалла матрицу цифровой камеры. Покрытие работало как интеллектуальный фильтр: яркие участки кадра оставляли длительный след, а случайные шумы гасли до оцифровки. На компьютерной модели проверили распознавание рукописных цифр: без использования свойств синапса точность нейросети составляла 78%, а с имитацией оптической памяти — почти 96%.

Перспективы и ограничения

Полностью оптический подход обещает революцию в машинном зрении. Отказ от преобразования света в электричество и обратно позволяет многократно снизить энергопотребление датчиков. Однако технология пока далека от коммерческого применения. Существующий прототип — крупный лабораторный образец с задержкой реакции в десятки миллисекунд, что для микроэлектроники слишком медленно. Кроме того, для накачки кристалла требуются мощные лазеры, что увеличивает энергозатраты.

Исследователи полагают, что эти недостатки устранимы при миниатюризации чипа до микрометрового масштаба. Полностью оптические нейроморфные процессоры — пока лишь симуляция, но сам факт демонстрации принципа даёт надежду на создание сверхэнергоэффективных систем компьютерного зрения в будущем.

Работа открывает путь к созданию камер, способных частично обрабатывать изображение ещё до того, как свет попадёт на датчик. Это позволит продлить время работы автономных устройств — от дронов до медицинских эндоскопов. Однако до серийного производства предстоит решить задачи быстродействия и интеграции с классической электроникой.