Случилось так, что постепенно слово голограмма у большинства людей стало ассоциироваться с радужно переливающимися этикетками, защищающими фирменные товары от подделок. Обычно на этих наклейках действительно можно увидеть картинку, похожую на объемную. Но, к сожалению, такое представление о голограмме не совсем отражает суть столь важного явления, как голография. Точнее, совсем не отражает.

Аналогично, всякий раз, когда заходит разговор о голографической памяти, то в первую очередь всплывают важнейшие потребительские свойства этой технологии – очень большая информационная емкость голографических носителей и высокая скорость считывания-записи за одну операцию обработки. Если же кто-то из участников разговора слабо представляет себе суть предмета, то краткие объяснения сводятся примерно к следующему.

Пучок когерентного света расщепляют на два луча – предметный и опорный. Блок информации, подлежащий записи и именуемый «страницей», помещают на оптический транспарант, через который светит предметный луч. Затем этот пучок снова сводят с опорным, а расположенная в месте пересечения лучей фоточувствительная среда фиксирует картину наложения световых волн. Поскольку используемая для съемки голографическая среда не плоская, а объемная, в нее можно записывать множество разных страниц-голограмм, меняя угол падения опорного луча или длину волн света. При такой технологии каждая страница информации – большая матрица черных и белых точек-битов – записывается в один проход. И точно так же за раз страница считывается, когда кристалл голографической памяти освещают опорным лучом под тем углом и с той длиной волны, что использовались для записи.

При подобном объяснении становятся несколько яснее и суть собственно голографии, и существенные отличия этой технологии от других способов хранения информации. Вроде полупроводниковых чипов, жестких магнитных и лазерных оптических дисков, во всех из которых принята последовательная, бит за битом, а не постраничная работа с данными. Однако целый ряд существенных и принципиальных особенностей голографической памяти, как правило, ускользает почему-то и при таких разъяснениях. Важнейшая черта голографического способа записи / воспроизведения информации в том, что это интерференционная картина или, как иногда говорят, интерферограмма. А особая физика интерферограммы позволяет естественным образом делать при помощи этой технологии то, что недоступно другим способам фотографии или хранения информации.

*

Например, общеизвестный факт голографии – применение для съемки пары когерентных лучей, предметного и опорного – имеет и другую важную сторону, известную куда меньше. Когда когерентным пучком освещают не один, а два объекта, фиксируя на снимке интерференцию рассеиваемого ими света, то у голограммы появляется следующее свойство. В свете одного из снятых объектов голограмма воссоздает изображение второго. И, естественно, наоборот – в свете второго предмета можно воссоздать изображение первого. Это замечательное свойство получило название «принцип обратимости голограммы» и находит множество полезных на практике приложений.

Понятно, что с помощью описанного метода можно легко и удобно осуществлять мгновенное преобразование любого изображения в заранее заданное другое. Например, если обычный компьютер вычисляет логарифмы или тригонометрические функции по специальным алгоритмам разложения, сводящим вычисления к ряду простых арифметических операций, то на основе голографической памяти это можно устроить в корне иначе. Записав в память заранее вычисленные таблицы в виде пар «входных и выходных» чисел, а затем вместо долгих вычислений просто подавать на вход один элемент пары и тут же получать на выходе второй, то есть ответ. Применительно к области криминальных расследований тот же самый принцип дает примерно такую картину. На вход подают отпечаток пальца – на выходе получают имя, фамилию, адрес и прочие установочные данные для обладателя пальца.

Другое ничуть не менее, а возможно и куда более интересное свойство голографического метода записи называется ассоциативная память. В компьютерных технологиях этот своеобразный способ хранения-извлечения информации также именуют памятью с адресацией по содержимому (content addressable memory), т.е. в качестве адресов для отыскания ячеек памяти выступает сама хранимая в них информация. Имеется много задач, где данный подход оказывается очень удобен для быстрого поиска в больших базах данных по частично доступным сведениям. Однако на основе традиционных вычислительных технологий такой способ выборки организован довольно сложно и весьма недешево. Голография же реализует ассоциативную память совершенно естественным образом.

Можно сказать, что для объемного голографического накопителя свойство ассоциативной памяти – это просто одно из проявлений принципа обратимости голограмм. В упомянутом примере из жизни криминалистов и отпечатки пальцев, и имя-фамилия, и адрес человека – это все разные фрагменты одного образа-транспаранта занесенного в память. В терминах физики запись страницы выглядит так. Образ на транспаранте освещают пучком когерентного света, который рассеивается на элементарных дифракционных решетках, формирующих изображение. Интерференция световых волн фиксируется голограммой… Впоследствии, при поиске нужной страницы, в луч света помещают лишь небольшой фрагмент исходного образа – отпечаток пальца. Так как память интерференционная, она в ответ воссоздает образ остальной картины, хотя и с меньшей интенсивностью. О подобной ситуации говорят, что удается вызвать фантом потерянной части предмета. А это, по сути, и есть ассоциативный поиск в блоке памяти по частично доступной информации.

**

Столь выдающаяся способность голографической памяти к мгновенному, фактически, извлечению информации из хранилища всего лишь по небольшому ее фрагменту заинтересовала ученых особо. Ведь по многим внешним признакам это очень напоминает работу другого – одновременно мощного и крайне загадочного – аппарата природы, а именно, памяти человека. Еще в середине 1950-х годов британский физиолог и физик Р.Л. Бэрл выдвинул гипотезу, объясняющую то, почему исследователям мозга никак не удается отыскать механизм хранения и локализации воспоминаний в памяти. Бэрл первым, вероятно, предположил, что память, возможно, распределена сразу по всему мозгу в виде интерференционной картины нервных импульсов, проходящих по нейронам.[1]

В начале 1960-х, вместе с лавинообразными успехами в практической голографии, стала укрепляться и идея о голографическом устройстве человеческой памяти. В статьях голландского теоретика Питера Ван Хердена [2], заложивших фундамент для голографических систем хранения информации в объемных 3-мерных средах, были особо отмечены моменты подобия ассоциативной холопамяти и известных особенностей работы человеческого мозга. В последующие годы идею о принципах голографии как основе устройства мозга стал энергично развивать американский нейрофизиолог Карл Прибрам [3], однако ощутимой поддержки и признания среди коллег эти чересчур революционные идеи не получили.

На рубеже 1960-1970-х годов страницы журнала Nature стали своего рода полем битвы идей для сторонников и противников голографической модели мозга. Заметные успехи неголографических моделей памяти и, в частности, прогресс технологий искусственных нейросетей позволили их разработчикам утверждать [4], что для объяснения работы мозга вовсе не требуются принципы голограммы. В ответной статье на эту публикацию Питер ван Херден указал [5], что голографическая память – как и мозг – способна делать нечто такое, чего искусственные нейросети делать не умеют. А именно, моментально распознавать и выделять знакомые лица в толпе. Оппоненты же в свою очередь резонно парировали этот довод, заявив, что пока еще слишком рано делать выводы о том, какие вещи столь молодая технология умеет делать, а какие нет.

За несколько десятилетий, что прошли со времен той знаменательной стычки, направление искусственных нейросетей действительно сумело весьма существенно продвинуться в своих разработках. Особенно впечатляющий прогресс стал возможен после ряда открытий, сделанных в 1970-1980-е годы финским исследователем Теуво Кохоненом. Перечень важных работ ученого весьма обширен, но наибольшую, вероятно, известность получили его теория распределенной ассоциативной памяти для нейросетей и, особенно, самоорганизующиеся карты, в народе прозванные картами Кохонена. Разнообразные вариации карт Кохонена, т.е. соревновательных нейросетей с обучением без учителя, ныне с успехом применяют в самых разных областях – от химии и биологии до анализа финансовых рынков и процессов металлургического производства. Однако здесь наибольший интерес представляют продвинутые нейросети на основе оптической голографии, развиваемые с 1990-х годов.

***

Одно из характерных свойств оптической вычислительной среды – это способность эффективно образовывать параллельные связи между большим числом элементов, одновременно выполняя операции типа взвешивания и суммирования волновых сигналов разной интенсивности. Такие особенности системы являются по сути идеальными для построения нейросетей. Так, простейшая модель нейрона, персептрон, элементарно реализуется с помощью оптического транспаранта, режим пропускания которого задан набором чисел-параметров, именуемых весовыми коэффициентами. Столь же естественным образом с помощью оптических средств реализуются слои нейронов, а также оптические связи между двумерными нейронными массивами. С точки зрения формального математического описания такой системы, матрица связей становится четырехмерной.

Широкого назначения оптические компьютеры-нейросети на основе подобных систем ныне считаются одним из самых перспективных для развития направлений. Ну а в рамках данного направления особый интерес представляют системы с голографическим накоплением информации в ассоциативной памяти. Развивая идеи Бэрла о гипотетическом механизме, управляющем накоплением информации в мозге на основе интерференции волн, ученые еще в 1960-е годы установили важные особенности для качественного голографического накопителя с ассоциативной выборкой. Было показано, что для устойчивости процесса поиска общая схема оптической ассоциативной памяти требует две существенно различные области запоминания. В одной все голограммы накапливаются вместе, обеспечивая быстрый поиск и распознавание по фрагменту, но выдавая смешанные друг с другом образы, содержащие данный фрагмент. В другой же области каждый блок информации накапливается сфокусированно и раздельно для точного извлечения.

В научной терминологии такое раздвоение предмета стали именовать би-модальным представлением паттерна. Математическая формализация этих идей привела к разработке искусственных нейросетей на комплексных числах и оперированию с комплексными числами-весами в голограммо-подобном сферическом пространстве состояний. Поскольку лежащие в основе такой системы гипер-сферические вычисления естественным образом реализуются в оптическом процессоре, ассоциативный голографический компьютинг демонстрирует превосходный потенциал как в быстродействии, так и в разнообразии практических приложений. В частности, на основе этой модели хорошо решаются задачи обобщения и распознавания образов со сменным вниманием. Подобно человеческому мозгу, такие системы тоже способны менять фокус от одного объекта к другому, не требуя переучивания.

Ну а в качестве завершения темы полезно вспомнить про еще один важный аспект в работе ассоциативной холопамяти. А именно, про естественный выбор наиболее яркого по интенсивности варианта изображения в качестве «наиболее вероятного». Одновременно припомнив одну из самых загадочных проблем квантовой физики – почему частицы материи выбирают свои наиболее вероятные состояния таким образом, что действует «стрела времени»? Есть сильное интуитивное ощущение, что две эти вещи – ассоциативная память голограммы и стрела времени – связаны друг с другом естественным образом. Однако для лучшего понимания этой связи понадобится ознакомиться с принципами квантовой обработки информации.

[1] R. L. Beurle. «Properties of a mass of cells capable of regenerating pulses». Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. Series B, 240, 55-94. (1956)

[2] P. J. van Heerden, «A new optical method of storing and retrieving information,» Applied Optics, Vol. 2, Issue 4, pp. 387-392 , (1963) ; P. J. van Heerden, «Theory of optical information storage in solids,» Applied Optics, Vol. 2, Issue 4, pp. 393-400 (1963)

[3] Pribram, K. H., in «Macromolecules and Behavior» (edit. by Gaito, J.) , Academic Press, New York, 1966 ; Karl Pribram, «The Neurophysiology of Remembering», Scientific American 220 (January 1969), p. 75

[4] Willshaw, D. J., Buneman, O. P., and Longuet-Higgins, H. C., «Non-holographic associative memory», Nature, 222, 960-962 (1969).

[5] Pieter van Heerden, «Models for the Brain», Nature 227 (July 25, 1970), pp. 410-411