Laser leert lezen

Een neuraal netwerk leert kunstjes als ze hem vaak genoeg worden voorgedaan. In Eindhoven staat een opstelling die aantoont dat ook een laser door ervaring wijs kan worden....

MARTIJN VAN CALMTHOUT

HIJ ZIET zichzelf nog zitten, dr. J. Schleipen van Philips Research in Waalre bij Eindhoven, het Natlab in de volksmond. Dag in, dag uit peuterde hij vijf, zes jaar geleden aan zijn ponskaartjes, zo groot als een dia, waarin hij met een scalpel piepkleine venstertjes sneed. Eens kijken, hij heeft er nog wel ergens een doosje vol van.

Het leek allemaal gefröbel, maar het was echte wetenschap. Die kartonnetjes moesten aantonen dat laserlicht is te gebruiken als het hart van een zelflerende computer, een neuraal netwerk. In theorie was hij ervan overtuigd dat het moest kunnen.

'Onze opstelling was te primitief voor woorden. Maar het werkte wonderwel en we wisten dat we iets hadden', zegt Schleipen nu. Sinds dik twee jaar werkt ir. E. Mos van de Technische Universiteit Eindhoven als promovendus bij hem in het researchlab. De geperforeerde kartonnen maskertjes zijn nu vervangen door een vloeibaar kristalscherm dat elk willekeurig lichtdoorlatend patroon in een oogwenk kan voortoveren.

Maar de boodschap blijft dezelfde: een laseropstelling kan leren. Mos en Schleipen publiceren binnenkort de bevindingen met hun volledig optische neurale netwerk, het eerste ter wereld, in het vooraanstaande vakblad Applied Optics.

In die kringen baart het Eindhovense werk nu al opzien. Voor het eerst is immers aangetoond dat licht bruikbaar is voor het scheppen van een lerend kunstbrein. Tot nog toe bestaan zulke systemen alleen in (deels) elektronische vorm. Dat sluit echter steeds slechter aan bij de ontwikkelingen in de telecommunicatie, waar lichtpulsen in glasvezels de dienst uitmaken.

Nu nog moeten in glasvezelnetten de lichtpulsjes telkens eerst worden vertaald in elektrische pulsen, die vervolgens met elektronica kunnen worden verwerkt. Eventueel moet daarna elektriciteit weer in licht worden veranderd.

Zulke omzettingen zijn traag, verzwakken het signaal en kunnen fouten en ruis introduceren. Bovendien, zegt Mos, is er een bovengrens aan de complexiteit van de elektronische chips die voor snelle dataverwerking worden gebruikt. 'Voor elektrische stroom moet je draadjes leggen. Lichtstralen kun je desnoods dwars door elkaar sturen zonder dat ze elkaar in de weg zitten.'

Zijn begeleider Schleipen realiseerde zich begin jaren negentig hoe een lastige fysische eigenschap van de halfgeleiderlaser in bijvoorbeeld cd-spelers ook mogelijkheden biedt voor iets geheel nieuws. Kijkt een dergelijke diode-laser per ongeluk in zijn eigen licht als dit van een glimmende cd terugkaatst, dan wordt hij instabiel. Ontwerpers proberen dat te voorkomen.

Maar de instabiliteit blijkt ook een bruikbare eigenschap. Als er weinig licht terugkomt, blijft de laser stralen. Raakt de laser echter verblind, dan schakelt hij over naar een andere kleur laserlicht. Mos: 'Zet er een prisma achter en je hebt in één beweging een groot aantal zeer snelle schakelaars die reageren op de reflecties in de buitenwereld.'

En zo'n verzameling samenhangende schakelaars is precies wat nodig is in een neuraal netwerk, een computer die kan leren. Net als in een brein bestaat zo'n netwerk uit schakelaars die een signaal opnemen en pas bij een bepaald niveau doorgeven naar een volgende groep eenheden. De gevoeligheid van alle schakelaars in het net is afzonderlijk instelbaar.

Zo'n systeem kan bijvoorbeeld beoordelen of een bepaalde serie lichtpulsjes passeert in een glasvezelnet. Passeert de reeks flitsjes, dan geeft het net een 'ja' als uitkomst; in alle andere gevallen een 'nee'. Door het systeem een reeks voorbeelden aan te bieden en de gevoeligheden stap voor stap zo in te stellen dat telkens de juiste oordelen worden geveld, wordt het netwerk getraind voor zijn taak. Na verloop van tijd is het letterlijk door ervaring wijs.

In de praktijk worden neurale netwerken al gebruikt in tal van situaties, voor het voorspellen van de afzet van het dagblad De Telegraaf tot het vetgehalte in grove Deense worst, de berekening van de optimale vaarroute in een haven met stroming of van , drukverdelingen op satellietfoto's. 'Ze zijn vooral goed in staat patronen te leren herkennen', zegt Mos. 'Gegevens waarin je de samenhang moeilijk nauwkeurig kunt definiëren, waarbij ook mensen ervaring gebruiken om tot een oordeel te komen.'

Bij dergelijke toepassingen is het neurale netwerk meestal niet meer dan een speciaal programma in een gewone computer. Aangeboden gegevens wordt op een aantal aspecten de maat genomen, waarna al die karakteristieken samen worden gewogen tot een eindconclusie.

In het optische neurale netwerk van Schleipen en Mos zijn de gevoeligheden vervat in het grijspatroon van het masker, dat bepaalt in hoeverre laserlicht van een bepaalde kleur de laser weer mag verblinden. Na een eerste gok voor de grijsverdeling in het masker wordt de toestand van de laser vergeleken met de gewenste uitkomst. In volgende stappen worden correcties in het masker aangebracht, tot de laser telkens de bedoelde oordelen bereikt. Met een vloeibaar-kristalscherm verlopen die aanpassingen in een oogwenk.

Een dergelijk optisch neuraal netwerk lijkt bij uitstek geschikt voor patroonherkenning in supersnelle glasvezelcommunicatie, menen Schleipen en Mos. Het is, zegt Mos, voorstelbaar een optisch netwerk te gebruiken om de digitale adressen van pakketjes informatie razendsnel af te lezen om ze netjes door een gecompliceerd optisch telefoonnet te kunnen dirigeren.

Zover is het echter nog lang niet, ook al omdat de grenzen van de traditionele elektronica voorlopig nog niet zijn bereikt. 'Ik denk dat we hier over vijf jaar nog zeker geen geld mee verdienen', zegt Schleipen. 'Maar dat neemt niet weg dat we op een fundamentele manier aangegeven welke kant je op moet áls je eenmaal gaat vastlopen met elektronica.'

Martijn van Calmthout

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2022 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden