В настоящее время широкое распространение получили концепции машинного обучения, которые используются в самых различных областях науки и техники, таких как компьютерная лингвистика, распознавание речи и языка, распознавание образов, медицинская диагностика, платформы поиска информации, Интернет вещей и т.д. Тем не менее, предлагаемые концепции, как правило, используют те же двоичные компьютеры, на замену которым изначально были предназначены. Альтернативой традиционному использованию концепции машинного обучения с использованием двоичных компьютеров являются физические нейроморфные вычисления, которые используют принципы обработки информации, имитирующие работу человеческого мозга, и позволяют выполнять сверхбыстрые и эффективные вычисления на основе динамических процессов в реальных физических системах. Резервуарные вычисления (РВ) являются разновидностью нейроморфных вычислений, при которой процесс вычислений осуществляется на основе динамического отклика сложной системы, такой как массив микростолбиков, на входной сигнал.

Предлагаемый проект направлен на исследование фундаментальных вопросов создания плотных спектрально- однородных массивов лазеров на основе микростолбиков с квантовыми точками (КТ), образованных из полупроводниковых гетероструктур A3B5 для применения в нейроморфной платформе оптической обработки данных на основе РВ.

Актуальность проекта определяется тем, что разработка быстрой и энергоэффективной нейроморфной платформы приведет к значительному прогрессу в ряде передовых приложений машинного обучения, где традиционные бинарные вычислительные системы смогут быть заменены на более эффективные решения. Основанием для повышения энергоэффективности являются исследования, которые показали, что мозг является на девять порядков более энергоэффективным, чем традиционный бинарный компьютер. Это происходит, в частности, за счет непосредственного использования континуума информации, содержащейся в аналоговых сигналах, вырабатываемых нейроном или динамической системой.

Разрабатываемые эффективные источники света будут обладать низкой оптической пороговой мощностью накачки <~ 100 мкВт, что не может быть обеспечено используемыми в настоящее время лазерными массивами. Это планируется достичь за счет реализации лазерных массивов на КТ на основе микростолбиков, идеально подходящих для реализации мощных РВ, работающих при комнатной температуре. Несколько слоев КТ будут размещены в вертикальных оптических микрорезонаторах, которые сформируют массивы из сотен микролазеров с высокой спектральной однородностью.

В предлагаемом проекте мы используем наш опыт в области выращивания полупроводниковых материалов, динамики лазерных систем и интегральной фотоники для создания нового класса быстрых, масштабируемых и энергоэффективных массивов лазеров, которые могут быть использованы для реализации нейроморфных платформ. В конечном счете, это прокладывает путь к практической реализации фотонных нейроморфных вычислений:

• впервые будут детально исследованы новые механизмы самоорганизации массивов нанообъектов с трехмерным квантованием (квантовых точек) на основе эффекта наноструктурирования слоя InGaP в потоке мышьяка, выращенного на поверхности слоя GaAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии, и обеспечивающего формирование удлиненных в одном кристаллографическом направлении КТ, в форме квантовых штрихов, обеспечивающих за счет этого повышение коэффициента усиления активной области в микрорезонаторном столбике;
• будут предложены, смоделированы, созданы и исследованы новые конструкции вертикальных микрорезонаторов, обеспечивающих эффективную оптическую накачку активной среды при комнатной температуре; в конструкции распределенных брэгговских отражателей будут использованы полупроводниковые твердые растворы AlGaAs с шириной запрещенной зоны, превышающей энергию возбуждающего излучения 870 нм, для снижения потерь на поглощение.
• впервые будет исследована возможность создания нанофотонного элемента (источника излучения) с повышенной спектральной однородностью, лучше, чем 100 мкэВ (с расстоянием между элементами порядка 10 мкм), с низким пороговым значением мощности оптической накачки, <~ 100 мкВт, из гетероструктуры, созданной методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Решаемая в настоящем проекте проблема является инновационной и актуальной, так как ее решение позволит понять особенности излучения новых интегральных фотонных элементов, таких как лазер на основе микростолбика с КТ. Результаты этого проекта укрепят лидирующие позиции России в области эпитаксиального роста, создания новых материалов и устройств, в т.ч. для нейроморфной фотоники.