导读
想象一下，一个比人类大脑快 10 亿倍的「超级大脑」是什么概念？来自香港中文大学、中科院物理所等机构的研究人员，提出了突破性激光人工神经元，完美复刻了人类神经细胞功能，更创造了惊人的处理速度记录。
人工神经元，比人类大脑快 10 亿倍
如今，这一科幻般的场景，早已成为了现实。来自香港中文大学、中国科学院物理研究所等机构科学家，成功开发出了一种基于「激光」的人工神经元。最新研究已发表在 Optica 期刊上。
这个基于芯片的量子点激光器，不仅能完全模仿真实神经细胞功能，更实现了惊人的速度——即 10GBaud 信号处理速度，也就意味着它比生物神经元快整整 10 亿倍。
如何理解这个速度有多快？能够在 1 秒内处理 1 亿次心跳数据；能够在 1 秒内分析 3479 万张手写数字图像。
AI 模仿生物神经元，飙升 10 亿倍
这项突破性发现，为何如此重要？
在我们的身体中，存在着不同类型的神经细胞。其中，梯级神经元（gradedneurons）是通过持续改变膜电位来编码信息，实现精细的信号处理。相较之下，脉冲神经元（spikingneurons）则使用全有/全无的动作点位来传递信息，创造出更为二元的通信方式。
最新研究中技术的关键突破在于，创新的设计方法。传统的光子脉冲神经元，通常通过将输入脉冲注入激光器的增益区域工作，这种方式会导致延迟，限制了神经元的响应速度。
如下图所示，是脉冲神经元和梯级神经元的在输入输出的对比图。
激光人工神经元能够以模仿生物神经元行为的方式，对输入信号做出响应，由于其超快的数据处理速度和低能耗，正被探索用作显着增强计算的一种方式。迄今为止开发的大多数都是光子脉冲神经元。这些人工神经元具有有限的响应速度，可能遭受信息丢失，并且需要额外的激光源和调制器。
光子脉冲神经元的速度限制，在最新研究中被打破了。研究团队另辟蹊径，选择将射频信号注入量子点激光器的可饱和吸收区，巧妙地避开了这一限制。他们还为可饱和吸收区设计了高速射频板，从而产生了一个更快速、更简单、节能的系统。
他还称，凭借强大记忆效应和出色信息处理能力，单个激光梯度神经元，可以表现得像一个小型神经网络。因此即便没有额外复杂连接的单个激光梯级神经元，也能高效地执行机器学习任务。
高速储层计算，1 秒处理 1 亿次心跳数据
为了进一步展示激光梯级神经元的能力，研究团队将其用于构建储层计算系统。激光梯级神经元的类神经元非线性动力学特性，以及快递处理速度，使其成为支持高速储层计算的理想选择。
下图所示，是储层计算（RC）的架构图。
RC 源自循环神经网络，是一种功能强大且经济高效的计算框架，非常适合时间/顺序信息的处理。它主要由输入层、存储层和读出层组成。在存储层内，非线性节点之间的互联是随机的，权重是固定的，从而避免了对存储层的训练。这里，只有读出层需要训练，可以通过线性回归等简单且计算高效的方法来完成。
最新研究中，作者选择让激光梯级神经元充当激光储层，来执行储层计算。在输入层中，输入信号被编码为注入激光储层的电脉冲。在具体实验中，该系统展现出令人印象深刻的性能。比如它每秒能处理 1 亿次心跳数据，并以 98.4% 的平均准确率检测到心率失常模式。
具体来讲，研究人员使用经过处理的 MIT-BIH 心律失常数据集，开启了失常心跳检测的基准任务。数据库中包含从 47 名受试者获得的 48 个半小时心电图记录摘录，是第一个可广泛用于评估心率失常检测器的测试材料。
在处理后两类 MIT-BIH 心率失常数据集中，原始心电图波形被重新采样，并被分成单个心跳，每个心跳由 50 个时间步长组成。如下图 a 所示，这些心跳被分类为两组——健康组和心率失常组，分别标记为 0 和 1。
在 MNIST 手写数据集任务中，研究人员又评估了激光储库的分
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