人工智能
利用光纤训练人工智能：基于光的飞跃
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为什么光纤可以在人工智能计算中取代电力
自从早期 计算从古老的真空管到现代的纳米级硅芯片，几乎所有计算机都是以某种方式基于使用电力进行计算的。
随着硅芯片变得越来越小，研究人员一直在寻找新的方法来构建计算机，以便将我们的容量提升到超越硅芯片的水平，这是我们在“十大非硅计算公司“。
这些方法包括使用不同的材料，例如碳化碳、二氧化钒、有机材料或石墨烯。另一种方法是改变计算方式，摆脱基于电力计算的二进制编程，其中包括量子计算和光子学。
光子学利用光而非电来编码和传输信息。然而，到目前为止，光子学最终仍被转换成二进制信号，未能形成纯粹基于光的计算形式。
芬兰坦佩雷大学和法国贝桑松玛丽与路易巴斯德大学的研究人员的工作改变了这一现状。他们利用光纤进行超快计算，并将研究成果发表在科学期刊《光学快报》上。1， 在标题之下 ”基于光纤的极限学习机的非线性和色散光纤传播的极限“。
传统电子系统人工智能训练的局限性
人工智能训练和数据处理的效率正在达到极限，人工智能计算越来越受到能耗和数据处理速度的限制。
相比之下，基于光的计算速度可能要快数千倍，并且可以将数据编码成微小的能量差异，从而提高效率。但问题是，迄今为止，还没有利用光进行直接计算的案例。
研究人员的工作使用了一种称为极限学习机（ELM）的特殊计算架构，这种方法受到神经网络的启发。
在其众多优势中，ELM 可以一步从训练数据中学习，并且是一种相对简单的算法。
一般来说，ELM 不太可能适用于需要多层 AI 训练的非常复杂的任务，但对于特定任务（例如视觉识别）可以表现得非常好且更高效。
研究人员如何利用光纤编码图像
研究人员使用飞秒激光脉冲（比相机闪光灯短十亿倍）和将光限制在比人类头发一小部分还小的区域内的光纤来构建光学 ELM 系统。
激光脉冲足够短，可以包含大量不同的波长或颜色，从而创建丰富的数据集。
然后，他们根据图像编码将这些数据以相对延迟的形式发送到光纤中。
来源: 坦佩雷大学
非线性光学在人工智能处理中的作用
这种数据编码形式是通过光和玻璃的非线性相互作用而转变的。
线性光学是学校教授的常规光学，例如，光直接与棱镜相互作用。
在非线性光学中，光通过的介质的反应取决于光的波长、强度、方向和偏振。
非线性光学元件可以使不同频率的光子结合并产生新频率的新光子。
“我们不使用传统的电子设备和算法，而是利用强光脉冲和玻璃之间的非线性相互作用来实现计算。”
非线性交互和极限学习机 (ELM) 算法能够训练人工智能来分类手写数字（就像流行的 MNIST AI 基准).
来源: 光学字母
最好的系统达到了 91% 以上的准确率，接近最先进的数字方法。
这一成果之所以如此非凡，是因为它是在不到一皮秒，即一万亿分之一秒（0.000000000001 秒）的时间内实现的。
理想优化
最好的结果并没有出现在非线性相互作用或复杂性的最高水平上。
相反，它们需要在光纤长度、色散（不同波长之间的传播速度差异）和功率水平之间取得微妙的平衡。
“性能不仅仅是通过光纤传输更多功率的问题。它取决于光的初始结构精度，换句话说，信息是如何编码的，以及它如何与光纤特性相互作用。”
光纤计算机是人工智能的未来吗？
仅用光来训练人工智能，与迄今为止使用的所有方法截然不同。这种方法可能无法适用于所有类型的数据，但对于可以应用它的数据，它可以带来能源效率提高 1,000 倍、速度提高百万倍的结果。
“我们的模型展示了色散、非线性甚至量子噪声如何影响性能，为设计下一代混合光电人工智能系统提供了关键知识。”
这种方法很可能意味着部分人工智能计算将被委托给专门为此任务定制的非线性光纤硬件。因此，像视觉识别这样的重复性任务将比处理新数据更适合。
这项工作展示了非线性光纤基础研究如何推动新的计算方法。通过融合物理学和机器学习，我们正在开辟通往超高速、节能的人工智能硬件的新途径。
潜在应用范围从实时信号处理到环境监测和高速人工智能推理。
但该项工作仍处于技术基本原理的论证阶段，距离商业化还有很长的路要走。
尽管如此，它表明光子学很可能将成为未来计算行业越来越重要的一部分，因为由于基础物理原因，光在某些计算应用方面可能优于电。
顶级上市激光与光子学公司
相干公司（II-VI Marlow）：激光创新的领导者
(COHR )
Coherent是一家大型工业集团，拥有26,000多名员工，是激光技术领域的领导者。该公司由先进材料公司II-VI Marlow与激光制造商Coherent合并而成。
该公司是激光、光学和光子学中使用的先进材料方面的专家，例如磷化铟、外延晶片和砷化镓。
该公司的增长主要得益于过去十年的多次收购，收入从 600 年的 2013 亿美元增长到 4.7 年的 2024 亿美元。
该公司29%的收入直接来自激光器，其余收入来自光纤和电子产品等相关设备。仪器仪表类别主要包括生命科学
科学和医学应用。
来源: 相干
该公司在热光伏等先进材料领域的存在（ 我们在之前的文章中讨论过)、碳化硅、激光器和电子产品使其受益于精密制造、增材制造（3D打印）、电气化和可再生能源增长等结构性趋势。
公司有 最近将其碳化硅业务分离为一个新实体，Coherent 持有其 75% 的股份其余股份由其合作伙伴三菱电机（带来碳化硅功率 IP）和电装（带来其作为汽车电气化和功率半导体供应商的业务）平均持有。
这是因为碳化硅越来越多地成为其自身的技术，主要用于电动汽车、电池和可再生能源等高功率应用。
Coherent 是领导者 在激光雷达和 3D 数字传感领域，包括自动驾驶应用、生物科技 新一代测序 (NGS) 流动槽和 用于半导体制造的激光器该公司预计其主要市场将增长8-20%。
来源: 相干
激光的其他潜在新应用，如直接能武器、光子计算、核聚变和空间技术，都可能同样有助于维持公司的长期增长。
总体而言，对于对该行业感兴趣的投资者来说，Coherent 是一家非常接近“纯粹”的上市激光公司，拥有强大的垂直整合能力和 3,100 多项保护其创新的专利。
随着光子学的进步，对超快、超精密激光系统以及光电信中使用的激光器的需求将逐步增加。
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参考研究
1.安德烈·V·埃尔莫拉耶夫，玛蒂尔德·哈里中，Et。 基于光纤的极限学习机的非线性和色散光纤传播的极限. 光学快报。 第50卷，第13期，第4166-4169页（2025年） https://doi.org/10.1364/OL.562186
