Reservoir computing avec des magnons – MARIN

À la surface d'un lac, dans les motifs colorés des halos et des couronnes de l'atmosphère, ou sous forme de franges dans les ondes optiques ou gravitationnelles, l'interférence des ondes est un phénomène qui joue un rôle important dans notre vie quotidienne. Elle nous permet d'aborder les questions les plus complexes. Mais qu'en est-il du calcul ? Si nous prenions un seau d'eau dans lequel on laisse tomber une série de galets de poids différents. En observant les schémas d'interférence résultants, qui contiennent des informations sur les événements passés et présents, pouvons-nous déduire la séquence originale de ces galets ? La réponse est oui ! On sait que l'interférence des ondes de l'eau peut être un moyen efficace pour une «liquid state machine», un exemple du paradigme neuro-inspiré de l'informatique des réservoirs. Ici, les cailloux représentent une forme d'onde temporelle complexe, tel un signal vocal ; pour reconnaître de tels signaux, il faut non seulement connaître les fréquences constitutives, mais aussi l'ordre dans lequel elles arrivent. Nous proposons d'utiliser les ondes de spin, excitations élémentaires des systèmes magnétiques, comme une nouvelle implémentation de calcul de réservoir à l'échelle submicronique. En raison de leurs non-linéarités intrinsèques et de leur capacité à se coupler à des phénomènes de transport, nous envisageons des tâches avancées de reconnaissance de formes dans des dispositifs magnoniques à des fréquences de l'ordre du GHz.
Avec le projet MARIN, nous visons à réaliser expérimentalement un tel calculateur de réservoir magnonique. Le projet MARIN étudiera expérimentalement et théoriquement la capacité des SW en couches minces micro et nanostructurées à satisfaire les trois exigences de base du calcul de réservoir, à savoir (i) l'approximation - si des entrées similaires donnent des sorties similaires ; (ii) la séparabilité - si des classes d'entrées distinctes donnent des classes de sorties distinctes ; et (iii) l'évanouissement de la mémoire - à quelle vitesse les entrées sont oubliées au fil du temps. Le mécanisme de contrôle de base est le couplage non linéaire entre les SW, qui permet aux modes propres orthogonaux de l'état d'équilibre d'interagir les uns avec les autres à mesure que leurs amplitudes augmentent. Comme ce couplage implique également des événements de seuil, comme pour le dopage des neurones, nous pouvons réaliser des tâches de calcul de nature cognitive comme la classification. Cela sera appliqué pour démontrer la reconnaissance avancée des signaux, par exemple sur des séries chronologiques, comme première étape vers une preuve de concept d'opérations analogiques non booléennes efficaces.
Deux matériaux seront utilisés : les films de YIG épitaxiés et les films minces d'alliages d'Heusler épitaxiés qui présentent tous deux un très faible amortissement magnétique intrinsèque nécessaire à l'excitation des ondes de spin dans le régime non linéaire. Le transfert d'énergie controlé de manière déterministe d'une onde de spin non linéaire à une autre, au cœur du schéma de calcul du réservoir envisagé, sera étudié théoriquement par des simulations micromagnétiques dans l'espace réel et réciproque et expérimentalement par la spectroscopie inductive des ondes de spin, la microscopie à force de résonance magnétique et la diffusion Brillouin de la lumière microfocalisée. Deux réalisations différentes de ces analyses de séries temporelles sont proposées comme dispositifs de validation de principe : (i) un analyseur spectral qui effectue une transformation de Fourier des ondes de spin sur puce et (ii) un classificateur de signaux qui, dans un premier temps, sera conçu pour trier les ondes sinusoïdales des ondes carrées dans le régime des GHz. Cela permettra une nouvelle mise en œuvre matérielle de l'informatique de réservoir qui repose sur le concept de «liquid state machine» aux fréquences de GHz, ce qui pourrait être utile pour le traitement des signaux de télécommunications.