Extrema händelser inträffar i många observerbara sammanhang. Naturen är en produktiv källa:oseriösa vattenvågor som slår högt över dyningen, monsunregn, löpeld, etc. Från klimatvetenskap till optik, fysiker har klassificerat egenskaperna hos extrema händelser, att utvidga uppfattningen till deras respektive expertområden. Till exempel, extrema händelser kan äga rum i telekommunikationsdataströmmar. I fiberoptisk kommunikation där ett stort antal rums-temporala fluktuationer kan förekomma i transoceana system, en plötslig ökning är en extrem händelse som måste undertryckas, eftersom det potentiellt kan ändra komponenter associerade med det fysiska lagret eller störa överföringen av privata meddelanden.

Nyligen, extrema händelser har observerats i kvantkaskadlasrar, som rapporterats av forskare från Télécom Paris (Frankrike) i samarbete med UCLA (USA) och TU Darmstad (Tyskland). De jättepulser som kännetecknar dessa extrema händelser kan bidra med plötsliga, skarpa skurar nödvändiga för kommunikation i neuromorfa system inspirerade av hjärnans kraftfulla beräkningsförmåga. Baserat på en kvantkaskadlaser (QCL) som avger mellaninfrarött ljus, forskarna utvecklade ett grundläggande optiskt neuronsystem med 10, 000 gånger snabbare än biologiska neuroner. Deras rapport publiceras i Avancerad fotonik .

Jättepulser, finjustering

Olivier Spitz, Télécom Paris forskare och första författare på tidningen, noterar att jättepulserna i QCL kan utlösas framgångsrikt genom att lägga till en "puls-upp excitation, " en kortvarig ökning av förspänningsströmmen med liten amplitud. Senior författare Frédéric Grillot, Professor vid Télécom Paris och University of New Mexico, förklarar att denna utlösande förmåga är av största vikt för applikationer som optiska neuronliknande system, som kräver att optiska skur utlöses som svar på en störning.

Teamets optiska neuronsystem visar beteenden som de som observerats i biologiska neuroner, som tröskelvärde, fasisk spikning, och tonic spiking. Finjustering av modulering och frekvens tillåter kontroll av tidsintervall mellan toppar. Grillot förklarar, "Det neuromorfa systemet kräver en stark, supertröskelstimulans för systemet att avge en spikreaktion, medan fasisk och tonisk spikning motsvarar enstaka eller kontinuerliga spikavfyrning efter ankomsten av en stimulans." För att replikera de olika biologiska neuronala svaren, avbrott av regelbundna följder av skurar motsvarande neuronaktivitet krävs också.

Kvantkaskadlaser

Grillot noterar att resultaten som rapporterats av hans team visar den alltmer överlägsna potentialen för kvantkaskadlasrar jämfört med standarddiodlasrar eller VCSEL, för vilka mer komplexa tekniker för närvarande krävs för att uppnå neuromorfa egenskaper.

Experimentellt demonstrerad för första gången 1994, kvantkaskadlasrar utvecklades ursprungligen för användning under kryogena temperaturer. Deras utveckling har gått snabbt framåt, tillåter användning vid varmare temperaturer, upp till rumstemperatur. På grund av det stora antalet våglängder de kan uppnå (från 3 till 300 mikron), QCL bidrar till många industriella tillämpningar som spektroskopi, optiska motåtgärder, och fritt utrymme kommunikation.

Enligt Grillot, fysiken involverad i QCL är helt annorlunda än den i diodlasrar. "Fördelen med kvantkaskadlasrar jämfört med diodlasrar kommer från de elektroniska övergångarna under pikosekunder mellan ledningsbandstillstånden (subband) och en bärarlivslängd som är mycket kortare än fotonlivslängden, " säger Grillot. Han påpekar att QCL:er uppvisar helt olika ljusemissionsbeteenden under optisk återkoppling, inklusive men inte begränsat till gigantiska pulsförekomster, lasersvar på modulering, och frekvenskamdynamik.