Les ordinateurs classiques fonctionnent à l'électricité et utilisent des fils pour transmettre les données via des courants électriques. Les ordinateurs photoniques fonctionnent à la lumière sous forme de faisceaux laser. Des filtres situés le long du trajet modifient l'intensité de la lumière pour effectuer les calculs.
Bien que les chercheurs aient déjà utilisé la lumière pour transmettre, stocker et traiter des données en laboratoire, l’informatique photonique en est encore à ses balbutiements. Shastri a décidé de repousser ces limites. Ses puces informatiques photoniques regroupent et connectent des composants photoniques qui se comportent comme les neurones du cerveau, créant ainsi un réseau neuronal physique sur une puce. « La physique imite la biologie », explique Shastri.
Ces types de puces sont plus puissantes pour certaines applications et pourraient constituer une aubaine pour l’IA.
Modéliser les ordinateurs comme des cerveaux
Shastri s'est intéressé à la lumière dès son plus jeune âge. Il se souvient d'une expérience à laquelle il a assisté lorsqu'il était enfant : une bouteille d'eau en plastique a été percée près de sa base de sorte qu'un jet d'eau régulier s'écoulait vers le bas sous l'effet de la gravité. Un laser a traversé le trou de la bouteille et, à la grande surprise de Shastri, il n'a pas continué à suivre une trajectoire horizontale. Au lieu de cela, le faisceau s'est courbé vers le bas avec le jet d'eau. « J'ai été complètement époustouflé par cette expérience », dit-il.
Depuis, Shastri réfléchit à la manière dont la lumière peut être manipulée, tout en explorant d’autres domaines de recherche. À l’université, il a travaillé avec un professeur qui faisait des recherches sur l’apprentissage automatique et l’intelligence artificielle, ce qui a fait naître une nouvelle passion. Plus tard, alors qu’il était postdoctorant à l’université de Princeton, Shastri a rencontré le physicien optique Paul Prucnal, qui allait devenir son conseiller.
Prucnal a parlé à Shastri de ses recherches visant à créer « un laser qui se comporte comme un neurone biologique », explique Shastri, et de la manière dont l'équipe cherchait à utiliser un tel laser pour calculer avec la lumière. Cette idée a retenu l'attention de Shastri.
Shastri a été « le premier à relier les points », explique Prucnal, lorsqu’il a réalisé que la photonique pouvait dépasser certaines limites sérieuses de l’électronique.
Les ordinateurs standards « atteignent leurs limites fondamentales », explique Shastri. Lorsque la plupart des ordinateurs modernes effectuent des calculs, ils ne peuvent pas accéder simultanément à la majeure partie de leur mémoire, et lorsqu’ils récupèrent des informations de la mémoire, ils ne peuvent pas calculer. Cela rend les ordinateurs lents et difficiles à manier pour l’IA, le traitement d’images et d’autres calculs nécessitant un traitement important. L’entraînement et l’exécution des algorithmes d’IA actuels consomment une énorme quantité d’énergie – collectivement, on prévoit qu’ils en demanderont environ autant que la consommation totale d’électricité du Japon d’ici 2026. Les ordinateurs dotés d’architectures qui imitent le cerveau, ou ordinateurs neuromorphiques, promettent d’être plus rapides et de consommer moins d’énergie.
« Nous voulons construire des machines qui seront beaucoup plus économes en énergie et beaucoup plus rapides que les autres ordinateurs », explique Shastri.
Mais il n'est pas facile de placer suffisamment de fils sur une puce pour former un réseau de connexions semblable à un cerveau destiné à être utilisé dans un ordinateur électronique. Les courants électriques à proximité exercent des forces magnétiques indésirables les uns sur les autres, ce qui entraîne une surchauffe et des performances erratiques. La lumière, en revanche, n'interagit généralement pas avec d'autres sources lumineuses. Ainsi, d'innombrables faisceaux lumineux de différentes longueurs d'onde peuvent passer simultanément sur le même chemin sans aucun problème.
Prucnal note que Shastri a été le premier à réussir à créer des ordinateurs photoniques neuromorphiques sur une puce. « Bhavin a été le pionnier d’une nouvelle façon de penser », dit-il.
Étudier la lumière
Shastri, qui se décrit lui-même comme un « expérimentateur acharné », conçoit, construit et réalise des expériences sur des dispositifs photoniques de la taille d’une puce. Son équipe a commencé par étudier des dispositifs plus simples, apparentés à un seul neurone, en analysant comment ils pourraient imiter la fonction d’un neurone biologique. Des années plus tard, dans un travail encore à publier, les chercheurs ont démontré de manière préliminaire qu’une puce dotée de 100 000 composants de type neuronal peut effectuer 120 milliards d’opérations par seconde, explique Shastri, soit environ 40 fois plus vite qu’un ordinateur électronique moyen.
Daniel Brunner, chercheur en apprentissage automatique et informatique à l'Institut FEMTO-ST en France, qui a rencontré Shastri alors qu'ils étaient tous deux postdoctorants, a salué le travail révolutionnaire de Shastri. « Je ne peux même pas compter les publications dans lesquelles il a posé les bases » de l'utilisation de la photonique pour créer des réseaux neuronaux physiques, déclare Brunner.
Et le génie de Shastri va au-delà de son « incroyable énergie » et de ses « incroyables capacités », affirme Prucnal : Shastri est capable de rassembler les gens. « Il ne s’agit pas seulement d’être sympathique, mais d’avoir une vision de la façon de [unite] ces différents domaines », ajoute-t-il.
Mais ne vous attendez pas à voir un ordinateur neuromorphique photonique chez vous de sitôt. Ces ordinateurs sont plus adaptés à des applications spécifiques de recherche ou industrielles. En plus de l'IA, Shastri et ses collègues travaillent sur des applications qui incluent des problèmes de longue date dans l'optimisation du signal radio et le traitement d'images.
Shastri a beau vouloir révolutionner l’informatique, son travail est motivé par une fascination pour la lumière et ses propriétés depuis des décennies. « J’ai eu beaucoup de chance de pouvoir réaliser quelque chose qui a toujours été mon rêve d’enfant », dit-il.
