Forskere fra fakultetet for fysik ved universitetet i Warszawa og det polske videnskabsakademi brugte fotoner til at
Hvordan fungerer hjernen?
Pattedyrshjernen er en af de mestkomplekse og effektive systemer i verden. I 1990'erne viste neuroforskere, at et område af makakbarken var i stand til at analysere og klassificere visuelle mønstre på kun 30 millisekunder. Samtidig sender hver af de neuroner, der er involveret i denne proces, mindre end tre beskeder i form af elektriske impulser. Dette blev gjort muligt på grund af det store antal synapser - forbindelser mellem neuroner - i makakhjernens neurale netværk.
Den menneskelige hjerne er en del af en endnu mere kraftfuldmekanisme. Den består af 100 milliarder neuroner, som hver især skaber i gennemsnit flere tusinde forbindelser med andre nerveceller. Sådan fremstår et neuralt netværk med cirka 100 billioner forbindelser. Takket være dem er vores hjerne i stand til samtidigt at genkende, ræsonnere og kontrollere bevægelser. Den udfører billioner af operationer i sekundet, mens den kun bruger 20-25 watt strøm.
Hvad er problemet?
Til sammenligning forbruger konventionelle processorerti gange mere energi til at genkende blot tusind forskellige typer genstande. Denne bemærkelsesværdige forskel og exceptionelle hjerneydelse skyldes blandt andet neuronernes biokemi, neurale forbindelsers arkitektur og neurale beregningsalgoritmers biofysik.
Samfundets appetit på information er konstanter i vækst, så der er en anmodning om hurtig og omfattende behandling. Konventionelle computersystemer er ikke i stand til at imødekomme den voksende efterspørgsel efter at øge computerkraften og samtidig forbedre energieffektiviteten. Men der er en løsning, omend den er svær.
Hvad skal man gøre
Løsningen på problemet er neuromorfe enheder.Deres arbejde er baseret på principperne for den menneskelige hjerne. De modellerer neuronernes arbejde og deres processer (axoner og dendritter), som er ansvarlige for transmission og perception af data. Forbindelser mellem neuroner dannes på grund af synapser - specielle kontakter, hvorigennem elektriske signaler transmitteres.
en.freepik.com
Neuromorfe enheder er fremtidenkunstig intelligens, da de tillader meget hurtigere og mere effektiv behandling af information i opgaver som billedgenkendelse. Men at skabe dem er ikke så let, men forskere fra fakultetet for fysik ved universitetet i Warszawa og det polske videnskabsakademi har en løsning.
Hvad foreslog forskerne?
For at løse problemet henvendte forskerne sig tilkvanteberegning. De foreslog at bruge fotoner på en sådan måde, at de kunne skabes af pulserende neurale netværk. Fordelen ved fotoniske systemer er, at de giver kommunikation med lysets hastighed, lavt tab og lavt strømforbrug.
Fordelen ved fotoner er detderes fordeling sker med stort set intet energitab. Desværre, på grund af det faktum, at de interagerer relativt svagt, er de vanskelige at bruge til at udføre beregningsoperationer på samme måde som elektroniske systemer.
Optisk mikrokavitet som en pulserende neuron.Visualisering: Mateusz Krol, kilde: Det Fysiske Fakultet, Warszawa Universitet). Kredit: Mateusz Krol, kilde: Det Fysiske Fakultet, Warszawas Universitet
Forskere har foreslået en løsning, hvor fotonerinteragerer stærkt med partikler med meget lav masse - excitoner. Denne stærke interaktion er mulig, når fotoner og excitoner er fanget sammen i såkaldte optiske mikrohulrum, hvilket resulterer i en gentagen udveksling af energi mellem dem. Denne type synergi, som opstår i et mikrohulrum mellem en foton og en exciton, er så stabil, at fysikere kalder det en excisional polariton (eller polariton for kort).
Polaritoner har unikke egenskaber,især under visse forhold kan de udvise en faseovergang til et Bose G Einstein-kondensat. I denne tilstand bliver tidligere uafhængige multiple polaritoner umulige at skelne.
Hvad kom forskere med?
Baseret på det seneste eksperiment,Forskere har bemærket, at når polaritoner exciteres af laserimpulser, udsender de lysimpulser på en måde, der efterligner affyring af biologiske neuroner. Denne effekt er direkte relateret til fænomenet Bose-Einstein-kondensering, som enten undertrykker eller forstærker emissionen af impulser.
Forskere, der udviklede det teoretiske grundlagved at kombinere forskning i polaritoner med LIF-modellen af en neuron (Leaky Integrate-and-Fire model), sagde, at gruppen nu arbejder på at løse problemet med skalerbarhed - at forbinde mange neuroner i et netværk.
Forfatterne af undersøgelsen foreslår at brugenyt computerparadigme. Den er baseret på indkodning af information ved hjælp af impulser, der kun udløser et signal, når det ankommer til neuronet sekventielt på det rigtige tidspunkt.
Hvordan fungerer det?
I øjeblikket bruger neurale netværklag af indbyrdes forbundne neuroner, der affyrer impulser afhængigt af den betydning, der tildeles hver forbindelse (i den matematiske beskrivelse refererer vi til "vægte"). I modsætning til denne type løsning, i det nye optiske neurale netværk beskrevet i Laser and Photonics Review, affyrer neuroner (dvs. bliver aktive) som reaktion på en sekvens af impulser. De kan variere i forskellige intensiteter og forskellige tidsintervaller.
en.freepik.com
Som i tilfældet med biologiskneuroner, der exciteres af elektriske impulser, er der en vis tærskel, over hvilken denne sekvens af impulser, der når neuronen, udløser et signal, der transmitteres videre. Polaritoner gør det muligt at efterligne et biologisk system, fordi kun stimulering med det passende antal fotoner over en vis tærskel resulterer i dannelsen af et Bose-Einstein-kondensat og derefter udsendelsen af et kort picosekund-flash, som er et signal til den næste neuron .
At skabe en prøve, som videnskabsmændbrugt til at fange fotoner og observere et kondensat af excitoniske polaritoner, arrangerede forskerne atomerne i forskellige typer halvlederkrystaller lag for lag. De brugte molekylær stråleepitaxi til at skabe en prototype af fotonisk neuron. For at opnå Bose-Einstein-kondensattilstanden krævedes en temperatur på 4 Kelvin (–269,15 °C).
Hvad er næste?
Nu planlægger forskere at tilpasse eksperimentettil stuetemperatur for at undgå kryogene forhold. Der er behov for forskning i nye materialer, der vil gøre det muligt at opnå Bose-Einstein-kondensater også ved høje temperaturer. For at fotoniske neuroner kan kombineres til netværk, skal de være i stand til at transmittere signaler til hinanden. Ideelt set bør transmissionsretningen, det vil sige forbindelsesdiagrammet, nemt ændres efter behov.
Forskere møder stadig nyeproblemer i deres forskning af neuromorfe systemer. Forskeres nye idé om at genskabe spidserne af biologiske neuroner i den optiske region kan bruges til at skabe et netværk og derefter et neuromorfisk system. Det sender information i størrelsesordener hurtigere og på en mere energieffektiv måde sammenlignet med eksisterende løsninger.
Læs mere:
Arkæologer har officielt bekræftet legenderne fra Bibelen
Det viste sig, hvad der sker med kroppens celler, når hjertet dør
Starlink-signal hacket til at blive brugt som et alternativ til GPS