Quantum-limited stochastic optical neural networks operating at a few quanta per activation
Notice bibliographique
Résumé
Energy efficiency in computation is ultimately limited by noise, with quantum limits setting the fundamental noise floor. Analog physical neural networks hold promise for improved energy efficiency compared to digital electronic neural networks. However, they are typically operated in a relatively high-power regime so that the signal-to-noise ratio (SNR) is large (>10), and the noise can be treated as a perturbation. We study optical neural networks where all layers except the last are operated in the limit that each neuron can be activated by just a single photon, and as a result the noise on neuron activations is no longer merely perturbative. We show that by using a physics-based probabilistic model of the neuron activations in training, it is possible to perform accurate machine-learning inference in spite of the extremely high shot noise (SNR ~ 1). We experimentally demonstrated MNIST handwritten-digit classification with a test accuracy of 98% using an optical neural network with a hidden layer operating in the single-photon regime; the optical energy used to perform the classification corresponds to just 0.038 photons per multiply-accumulate (MAC) operation. Our physics-aware stochastic training approach might also prove useful with non-optical ultra-low-power hardware.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».