استخدم علماء من كلية الفيزياء بجامعة وارسو والأكاديمية البولندية للعلوم الفوتونات
كيف يعمل الدماغ؟
دماغ الثدييات هو واحد من أكثرالأنظمة المعقدة والفعالة في العالم. وفي التسعينيات، أظهر علماء الأعصاب أن منطقة واحدة من قشرة المكاك كانت قادرة على تحليل وتصنيف الأنماط البصرية في 30 مللي ثانية فقط. وفي الوقت نفسه، ترسل كل خلية عصبية تشارك في هذه العملية أقل من ثلاث رسائل على شكل نبضات كهربائية. وقد أصبح هذا ممكنا بسبب العدد الكبير من المشابك العصبية - الوصلات بين الخلايا العصبية - في الشبكة العصبية لدماغ المكاك.
الدماغ البشري هو جزء من دماغ أكثر قوةآلية. وهي تتألف من 100 مليار خلية عصبية، كل منها تخلق، في المتوسط، عدة آلاف من الاتصالات مع الخلايا العصبية الأخرى. هكذا تظهر شبكة عصبية مكونة من 100 تريليون اتصال تقريبًا. بفضلهم، يستطيع دماغنا التعرف على الحركة والعقل والتحكم فيها في نفس الوقت. فهو ينفذ تريليونات من العمليات في الثانية بينما يستهلك فقط 20-25 واط من الطاقة.
ما المشكلة؟
وبالمقارنة، تستهلك المعالجات التقليديةطاقة أكبر بعشر مرات للتعرف على ألف نوع مختلف من الكائنات. ويرجع هذا الاختلاف الملحوظ والأداء الاستثنائي للدماغ، من بين أمور أخرى، إلى الكيمياء الحيوية للخلايا العصبية، وهندسة الوصلات العصبية، والفيزياء الحيوية للخوارزميات الحسابية العصبية.
إن شهية المجتمع للمعلومات مستمرةينمو، لذلك هناك طلب لمعالجته السريعة والشاملة. أنظمة الحوسبة التقليدية غير قادرة على تلبية الطلب المتزايد على زيادة قوة الحوسبة مع تحسين كفاءة الطاقة في نفس الوقت. ولكن هناك حل، وإن كان صعبا.
ما يجب القيام به
حل المشكلة هو الأجهزة العصبية.يعتمد عملهم على مبادئ العقل البشري. يقومون بنمذجة عمل الخلايا العصبية وعملياتها (المحاور والتشعبات) ، المسؤولة عن نقل البيانات وإدراكها. تتشكل الاتصالات بين الخلايا العصبية بسبب نقاط الاشتباك العصبي - اتصالات خاصة يتم من خلالها إرسال الإشارات الكهربائية.
en.freepik.com
الأجهزة العصبية هي المستقبلالذكاء الاصطناعي، لأنها تسمح بمعالجة المعلومات بشكل أسرع وأكثر كفاءة في مهام مثل التعرف على الصور. لكن إنشائها ليس بالأمر السهل، لكن العلماء من كلية الفيزياء بجامعة وارسو والأكاديمية البولندية للعلوم لديهم الحل.
ماذا اقترح العلماء؟
ولحل المشكلة لجأ العلماء إلىالحوسبة الكمومية. واقترحوا استخدام الفوتونات بطريقة يمكن إنشاؤها بواسطة الشبكات العصبية النبضية. وتتمثل ميزة الأنظمة الضوئية في أنها توفر الاتصال بسرعة الضوء وخسارة منخفضة واستهلاك منخفض للطاقة.
ميزة الفوتونات هي ذلكيحدث توزيعها دون فقدان الطاقة تقريبًا. ولسوء الحظ، ونظرًا لحقيقة تفاعلها بشكل ضعيف نسبيًا، فمن الصعب استخدامها لإجراء العمليات الحسابية بطريقة مشابهة للأنظمة الإلكترونية.
التجويف الدقيق البصري كخلية عصبية نابضة.التصور: ماتيوس كرول، المصدر: كلية الفيزياء، جامعة وارسو). الائتمان: ماتيوس كرول، المصدر: كلية الفيزياء، جامعة وارسو
وقد اقترح العلماء حلا فيه الفوتوناتتتفاعل بقوة مع جزيئات ذات كتلة منخفضة جدًا - الإكسيتونات. يكون هذا التفاعل القوي ممكنًا عندما يتم احتجاز الفوتونات والإكسيتونات معًا في ما يسمى بالتجاويف الضوئية الدقيقة، مما يؤدي إلى تبادل متكرر للطاقة بينهما. هذا النوع من التآزر، الذي يحدث في تجويف صغير بين الفوتون والإكسيتون، يكون مستقرًا جدًا لدرجة أن الفيزيائيين يطلقون عليه اسم بولاريتون الاستثنائي (أو بولاريتون للاختصار).
تتميز البولاريتونات بخصائص فريدة من نوعها،خاصة في ظل ظروف معينة، يمكنهم إظهار مرحلة انتقالية إلى مكثف Bose G Einstein. في هذه الحالة، يصبح من الصعب تمييز البولاريتونات المتعددة المستقلة سابقًا.
ماذا فعل العلماء؟
بناءً على التجربة الأخيرة،لاحظ العلماء أنه عندما يتم تحفيز البولاريتونات بواسطة نبضات الليزر، فإنها تبعث نبضات ضوئية بطريقة تحاكي إطلاق الخلايا العصبية البيولوجية. ويرتبط هذا التأثير بشكل مباشر بظاهرة تكثيف بوز-آينشتاين، والتي إما تعمل على تثبيط أو تعزيز انبعاث النبضات.
العلماء الذين طوروا الأسس النظريةقال الجمع بين الأبحاث حول البولاريتونات ونموذج LIF للخلايا العصبية (نموذج Leaky Integrate-and-Fire) إن المجموعة تعمل الآن على حل مشكلة قابلية التوسع - ربط العديد من الخلايا العصبية بالشبكة.
يقترح مؤلفو الدراسة استخدامنموذج الحوسبة الجديد. وهو يعتمد على تشفير المعلومات بواسطة نبضات لا تطلق الإشارة إلا عندما تصل إلى الخلية العصبية بشكل تسلسلي في الوقت المناسب.
كيف ستعمل؟
حاليا، تستخدم الشبكات العصبيةطبقات من الخلايا العصبية المترابطة التي تطلق نبضات اعتمادًا على الأهمية المخصصة لكل اتصال (في الوصف الرياضي نشير إلى "الأوزان"). وعلى النقيض من هذا النوع من الحلول، في الشبكة العصبية البصرية الجديدة الموصوفة في مجلة Laser and Photonics Review، تنطلق الخلايا العصبية (أي تصبح نشطة) استجابةً لسلسلة من النبضات. يمكن أن تختلف في شدة مختلفة وفترات زمنية مختلفة.
en.freepik.com
كما هو الحال مع البيولوجيةالخلايا العصبية التي يتم تحفيزها بواسطة نبضات كهربائية، هناك عتبة معينة يؤدي فوقها تسلسل النبضات الذي يصل إلى الخلية العصبية إلى إطلاق إشارة تنتقل إلى أبعد من ذلك. تجعل البولاريتونات من الممكن محاكاة النظام البيولوجي لأن التحفيز فقط بالعدد المناسب من الفوتونات فوق عتبة معينة يؤدي إلى تكوين مكثف بوز-آينشتاين ومن ثم انبعاث وميض قصير بيكو ثانية، وهو إشارة إلى الخلية العصبية التالية .
لإنشاء عينة العلماءتم استخدامها لالتقاط الفوتونات ومراقبة تكثيف البولاريتونات الإكسيتونية، حيث قام العلماء بترتيب ذرات أنواع مختلفة من بلورات أشباه الموصلات طبقة بعد طبقة. لقد استخدموا تنضيد الشعاع الجزيئي لإنشاء نموذج أولي للخلايا العصبية الضوئية. لتحقيق حالة تكاثف بوز-آينشتاين، كانت هناك حاجة إلى درجة حرارة 4 كلفن (-269.15 درجة مئوية).
ما التالي؟
والآن يخطط العلماء لتكييف التجربةلدرجة حرارة الغرفة لتجنب الظروف المبردة. هناك حاجة إلى البحث عن مواد جديدة من شأنها أن تجعل من الممكن الحصول على مكثفات بوز-آينشتاين عند درجات حرارة عالية أيضًا. لكي يتم دمج الخلايا العصبية الضوئية في شبكات، يجب أن تكون قادرة على نقل الإشارات إلى بعضها البعض. من الناحية المثالية، يجب تغيير اتجاه الإرسال، أي مخطط الاتصال، بسهولة حسب الحاجة.
لا يزال العلماء يواجهون الجديدمشاكل في أبحاثهم حول الأنظمة العصبية. يمكن استخدام فكرة العلماء الجديدة لإعادة إنشاء طفرات الخلايا العصبية البيولوجية في المنطقة البصرية لإنشاء شبكة ومن ثم نظام عصبي. فهو يرسل أوامر معلومات ذات حجم أسرع وبطريقة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة مقارنة بالحلول الحالية.
قراءة المزيد:
أكد علماء الآثار رسمياً الأساطير من الكتاب المقدس
اتضح ما يحدث لخلايا الجسم عند موت القلب
تم اختراق إشارة Starlink لاستخدامها كبديل لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)