Учени от Факултета по физика на Варшавския университет и Полската академия на науките използваха фотони, за
Как работи мозъкът?
Мозъкът на бозайниците е един от найсложни и ефективни системи в света. През 90-те години невролозите показаха, че една област от кората на макака е способна да анализира и класифицира визуални модели само за 30 милисекунди. В същото време всеки от невроните, участващи в този процес, изпраща по-малко от три съобщения под формата на електрически импулси. Това стана възможно благодарение на големия брой синапси - връзки между невроните - в невронната мрежа на мозъка на макака.
Човешкият мозък е част от още по-мощенмеханизъм. Състои се от 100 милиарда неврони, всеки от които създава средно няколко хиляди връзки с други нервни клетки. Така се появява невронна мрежа от приблизително 100 трилиона връзки. Благодарение на тях нашият мозък е в състояние едновременно да разпознава, разсъждава и контролира движението. Той извършва трилиони операции в секунда, като консумира само 20-25 вата мощност.
Какъв е проблемът?
За сравнение конвенционалните процесори консумиратдесет пъти повече енергия за разпознаване само на хиляди различни видове обекти. Тази забележителна разлика и изключителна мозъчна производителност се дължат, наред с други неща, на биохимията на невроните, архитектурата на невронните връзки и биофизиката на невронните изчислителни алгоритми.
Апетитът на обществото за информация е постояненнараства, така че има заявка за неговата бърза и цялостна обработка. Конвенционалните изчислителни системи не са в състояние да отговорят на нарастващото търсене на нарастваща изчислителна мощност, като същевременно подобряват енергийната ефективност. Но има решение, макар и трудно.
Какво да правим
Решението на проблема са невроморфните устройства.Работата им се основава на принципите на човешкия мозък. Те моделират работата на невроните и техните процеси (аксони и дендрити), които отговарят за предаването и възприемането на данни. Връзките между невроните се формират поради синапси - специални контакти, през които се предават електрически сигнали.
en.freepik.com
Невроморфните устройства са бъдещетоизкуствен интелект, тъй като позволяват много по-бърза и ефективна обработка на информацията при задачи като разпознаване на изображения. Но създаването им не е толкова лесно, но учените от Физическия факултет на Варшавския университет и Полската академия на науките имат решение.
Какво предложиха учените?
За да решат проблема, учените се обърнаха къмквантово изчисление. Те предложиха използването на фотони по такъв начин, че да могат да бъдат създадени от импулсни невронни мрежи. Предимството на фотонните системи е, че осигуряват комуникация със скоростта на светлината, ниски загуби и ниска консумация на енергия.
Предимството на фотоните е, четяхното разпределение става практически без загуба на енергия. За съжаление, поради факта, че взаимодействат относително слабо, те са трудни за използване за извършване на изчислителни операции по начин, подобен на електронните системи.
Оптична микрокухина като пулсиращ неврон.Визуализация: Матеуш Крол, източник: Факултет по физика, Варшавски университет). Кредит: Матеуш Крол, източник: Факултет по физика, Варшавски университет
Учените са предложили решение, при което фотонитевзаимодействат силно с частици с много малка маса - екситони. Това силно взаимодействие е възможно, когато фотони и екситони са уловени заедно в така наречените оптични микрокухини, което води до многократен обмен на енергия между тях. Този тип синергия, която възниква в микрокухина между фотон и екситон, е толкова стабилна, че физиците я наричат ексцизионен поляритон (или накратко поляритон).
Поляритоните имат уникални свойства,особено при определени условия, те могат да проявят фазов преход в кондензат на Бозе G Айнщайн. В това състояние предишните независими множество поляритони стават неразличими.
Какво измислиха учените?
Въз основа на последния експеримент,Учените са забелязали, че когато поляритоните се възбуждат от лазерни импулси, те излъчват светлинни импулси по начин, който имитира изстрелването на биологични неврони. Този ефект е пряко свързан с феномена Бозе-Айнщайн кондензация, който или потиска, или засилва излъчването на импулси.
Учени, разработили теоретичните основикомбинирайки изследвания върху поляритони с LIF модела на неврон (Leaky Integrate-and-Fire model), каза, че групата сега работи върху решаването на проблема с мащабируемостта - свързване на много неврони в мрежа.
Авторите на изследването предлагат да се използватнова компютърна парадигма. Тя се основава на кодиране на информация чрез импулси, които задействат сигнал само когато той пристигне в неврона последователно в точното време.
Как ще работи?
В момента невронните мрежи използватслоеве от взаимосвързани неврони, които изстрелват импулси в зависимост от важността, приписана на всяка връзка (в математическото описание ние говорим за „тегла“). За разлика от този тип решение, в новата оптична невронна мрежа, описана в Laser and Photonics Review, невроните се задействат (т.е. стават активни) в отговор на последователност от импулси. Те могат да се различават в различна интензивност и различни времеви интервали.
en.freepik.com
Както в случая с биологичнитеневрони, които се възбуждат от електрически импулси, има определен праг, над който тази последователност от импулси, достигащи до неврона, задейства сигнал, който се предава по-нататък. Поляритоните позволяват да се имитира биологична система, защото само стимулация с подходящ брой фотони над определен праг води до образуването на кондензат на Бозе-Айнщайн и след това излъчването на кратка пикосекундна светкавица, която е сигнал към следващия неврон .
За да се създаде проба, която ученитеизползвани за улавяне на фотони и наблюдаване на кондензат от екситонни поляритони, учените подредиха атомите на различни видове полупроводникови кристали слой по слой. Те използваха епитаксия с молекулен лъч, за да създадат прототип на фотонен неврон. За да се постигне състояние на кондензат на Бозе-Айнщайн, е необходима температура от 4 Келвина (–269,15 °C).
Какво следва?
Сега учените планират да адаптират експериментаза стайна температура, за да се избегнат криогенни условия. Необходими са изследвания на нови материали, които ще направят възможно получаването на кондензат на Бозе-Айнщайн и при високи температури. За да могат фотонните неврони да бъдат комбинирани в мрежи, те трябва да могат да предават сигнали един на друг. В идеалния случай посоката на предаване, тоест схемата на свързване, трябва лесно да се променя според нуждите.
Учените все още се сблъскват с новипроблеми в изследването на невроморфните системи. Новата идея на учените за пресъздаване на шипове на биологични неврони в оптичната област може да се използва за създаване на мрежа и след това на невроморфна система. Той изпраща информация с порядък по-бързо и по по-енергийно ефективен начин в сравнение със съществуващите решения.
Прочетете още:
Археолозите официално потвърдиха легендите от Библията
Оказа се какво се случва с клетките на тялото, когато сърцето умре
Сигналът на Starlink е хакнат, за да се използва като алтернатива на GPS