Analog physical neural networks, which hold promise for improved energy efficiency and speed compared to digital electronic neural networks, are nevertheless typically operated in a relatively high-power regime so that the signal-to-noise ratio (SNR) is large (>10). What happens if an analog system is instead operated in an ultra-low-power regime, in which the behavior of the system becomes highly stochastic and the noise is no longer a small perturbation on the signal? In this paper, we study this question in the setting of optical neural networks operated in the limit where some layers use only a single photon to cause a neuron activation. Neuron activations in this limit are dominated by quantum noise from the fundamentally probabilistic nature of single-photon detection of weak optical signals. We show that it is possible to train stochastic optical neural networks to perform deterministic image-classification tasks with high accuracy in spite of the extremely high noise (SNR ~ 1) by using a training procedure that directly models the stochastic behavior of photodetection. We experimentally demonstrated MNIST 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 0.008 photons per multiply-accumulate (MAC) operation, which is equivalent to 0.003 attojoules of optical energy per MAC. Our experiment used >40x fewer photons per inference than previous state-of-the-art low-optical-energy demonstrations, to achieve the same accuracy of >90%. Our work shows that some extremely stochastic analog systems, including those operating in the limit where quantum noise dominates, can nevertheless be used as layers in neural networks that deterministically perform classification tasks with high accuracy if they are appropriately trained.


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神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
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