Επιστήμονες από τη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας και της Πολωνικής Ακαδημίας Επιστημών χρησιμοποίησαν φωτόνια για να
Πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος;
Ο εγκέφαλος των θηλαστικών είναι ένας από τους περισσότερουςπολύπλοκα και αποτελεσματικά συστήματα στον κόσμο. Στη δεκαετία του 1990, νευροεπιστήμονες έδειξαν ότι μια περιοχή του φλοιού του μακάκου ήταν σε θέση να αναλύει και να ταξινομεί οπτικά μοτίβα σε μόλις 30 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Ταυτόχρονα, καθένας από τους νευρώνες που εμπλέκονται σε αυτή τη διαδικασία στέλνει λιγότερα από τρία μηνύματα με τη μορφή ηλεκτρικών παλμών. Αυτό κατέστη δυνατό λόγω του μεγάλου αριθμού συνάψεων - συνδέσεων μεταξύ νευρώνων - στο νευρωνικό δίκτυο του εγκεφάλου του μακάκου.
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι μέρος ενός ακόμα πιο ισχυρούμηχανισμός. Αποτελείται από 100 δισεκατομμύρια νευρώνες, καθένας από τους οποίους δημιουργεί, κατά μέσο όρο, αρκετές χιλιάδες συνδέσεις με άλλα νευρικά κύτταρα. Έτσι εμφανίζεται ένα νευρωνικό δίκτυο περίπου 100 τρισεκατομμυρίων συνδέσεων. Χάρη σε αυτά, ο εγκέφαλός μας είναι σε θέση να αναγνωρίζει, να αιτιολογεί και να ελέγχει ταυτόχρονα την κίνηση. Εκτελεί τρισεκατομμύρια λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο ενώ καταναλώνει μόνο 20-25 watt ισχύος.
Ποιο είναι το πρόβλημα?
Συγκριτικά, οι συμβατικοί επεξεργαστές καταναλώνουνδέκα φορές περισσότερη ενέργεια για να αναγνωρίσει μόνο χίλιους διαφορετικούς τύπους αντικειμένων. Αυτή η αξιοσημείωτη διαφορά και η εξαιρετική απόδοση του εγκεφάλου οφείλεται, μεταξύ άλλων, στη βιοχημεία των νευρώνων, στην αρχιτεκτονική των νευρικών συνδέσεων και στη βιοφυσική των νευρωνικών υπολογιστικών αλγορίθμων.
Η όρεξη της κοινωνίας για ενημέρωση είναι διαρκήςαυξάνεται, οπότε υπάρχει αίτημα για γρήγορη και ολοκληρωμένη επεξεργασία του. Τα συμβατικά υπολογιστικά συστήματα δεν είναι σε θέση να ανταποκριθούν στην αυξανόμενη ζήτηση για αύξηση της υπολογιστικής ισχύος ενώ ταυτόχρονα βελτιώνουν την ενεργειακή απόδοση. Υπάρχει όμως λύση, αν και δύσκολη.
Τι να κάνετε
Η λύση στο πρόβλημα είναι οι νευρομορφικές συσκευές.Η δουλειά τους βασίζεται στις αρχές του ανθρώπινου εγκεφάλου. Μοντελοποιούν το έργο των νευρώνων και των διεργασιών τους (άξονες και δενδρίτες), οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για τη μετάδοση και την αντίληψη των δεδομένων. Οι συνδέσεις μεταξύ των νευρώνων σχηματίζονται λόγω συνάψεων - ειδικών επαφών μέσω των οποίων μεταδίδονται ηλεκτρικά σήματα.
en.freepik.com
Οι νευρομορφικές συσκευές είναι το μέλλοντεχνητή νοημοσύνη, καθώς επιτρέπουν πολύ πιο γρήγορη και αποτελεσματική επεξεργασία πληροφοριών σε εργασίες όπως η αναγνώριση εικόνων. Αλλά η δημιουργία τους δεν είναι τόσο εύκολη, αλλά επιστήμονες από τη Φυσική Σχολή του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας και την Πολωνική Ακαδημία Επιστημών έχουν μια λύση.
Τι πρότειναν οι επιστήμονες;
Για να λύσουν το πρόβλημα, οι επιστήμονες στράφηκαν στοκβαντικός υπολογισμός. Πρότειναν τη χρήση φωτονίων με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορούν να δημιουργηθούν από παλμικά νευρωνικά δίκτυα. Το πλεονέκτημα των φωτονικών συστημάτων είναι ότι παρέχουν επικοινωνία με την ταχύτητα του φωτός, χαμηλές απώλειες και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.
Το πλεονέκτημα των φωτονίων είναι ότιΗ κατανομή τους γίνεται χωρίς σχεδόν καμία απώλεια ενέργειας. Δυστυχώς, λόγω του γεγονότος ότι αλληλεπιδρούν σχετικά ασθενώς, είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθούν για την εκτέλεση υπολογιστικών λειτουργιών με παρόμοιο τρόπο με τα ηλεκτρονικά συστήματα.
Οπτική μικροκοιλότητα ως παλλόμενος νευρώνας.Οπτικοποίηση: Mateusz Krol, πηγή: Faculty of Physics, University of Warsaw). Credit: Mateusz Krol, πηγή: Faculty of Physics, University of Warsaw
Οι επιστήμονες έχουν προτείνει μια λύση στην οποία τα φωτόνιααλληλεπιδρούν έντονα με σωματίδια πολύ χαμηλής μάζας - εξιτονίων. Αυτή η ισχυρή αλληλεπίδραση είναι δυνατή όταν τα φωτόνια και τα εξιτόνια παγιδεύονται μαζί στις λεγόμενες οπτικές μικροκοιλότητες, με αποτέλεσμα μια επαναλαμβανόμενη ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ τους. Αυτός ο τύπος συνέργειας, που εμφανίζεται σε μια μικροκοιλότητα μεταξύ ενός φωτονίου και ενός εξιτονίου, είναι τόσο σταθερός που οι φυσικοί το αποκαλούν εκτομικό πολάριο (ή πολάριτον για συντομία).
Τα Polariton έχουν μοναδικές ιδιότητες,ειδικά υπό ορισμένες συνθήκες, μπορούν να παρουσιάσουν μετάβαση φάσης σε συμπύκνωμα Bose G Einstein. Σε αυτήν την κατάσταση, οι προηγουμένως ανεξάρτητοι πολλαπλοί πολίτες γίνονται δυσδιάκριτοι.
Τι έκαναν οι επιστήμονες;
Με βάση το τελευταίο πείραμα,Οι επιστήμονες έχουν παρατηρήσει ότι όταν οι πολαρίτονες διεγείρονται από παλμούς λέιζερ, εκπέμπουν παλμούς φωτός με τρόπο που μιμείται την πυροδότηση βιολογικών νευρώνων. Αυτό το φαινόμενο σχετίζεται άμεσα με το φαινόμενο της συμπύκνωσης Bose-Einstein, το οποίο είτε καταστέλλει είτε ενισχύει την εκπομπή παλμών.
Επιστήμονες που ανέπτυξαν τις θεωρητικές βάσειςσυνδυάζοντας την έρευνα για τους πολαρίτονες με το μοντέλο LIF ενός νευρώνα (μοντέλο Leaky Integrate-and-Fire), είπε ότι η ομάδα εργάζεται τώρα για την επίλυση του προβλήματος της επεκτασιμότητας - συνδέοντας πολλούς νευρώνες σε ένα δίκτυο.
Οι συγγραφείς της μελέτης προτείνουν τη χρήσηνέο υπολογιστικό παράδειγμα. Βασίζεται στην κωδικοποίηση πληροφοριών από παλμούς που ενεργοποιούν ένα σήμα μόνο όταν φτάσει στον νευρώνα διαδοχικά την κατάλληλη στιγμή.
Πώς θα λειτουργήσει;
Επί του παρόντος, τα νευρωνικά δίκτυα χρησιμοποιούνστρώματα διασυνδεδεμένων νευρώνων που πυροδοτούν παλμούς ανάλογα με τη σημασία που αποδίδεται σε κάθε σύνδεση (στη μαθηματική περιγραφή αναφερόμαστε σε «βάρη»). Σε αντίθεση με αυτόν τον τύπο λύσης, στο νέο οπτικό νευρωνικό δίκτυο που περιγράφεται στο Laser and Photonics Review, οι νευρώνες πυροδοτούνται (δηλαδή γίνονται ενεργοί) ως απόκριση σε μια ακολουθία παλμών. Μπορούν να διαφέρουν σε διαφορετικές εντάσεις και διαφορετικά χρονικά διαστήματα.
en.freepik.com
Όπως και στην περίπτωση με το βιολογικόνευρώνες που διεγείρονται από ηλεκτρικά ερεθίσματα, υπάρχει ένα ορισμένο όριο πάνω από το οποίο αυτή η ακολουθία παλμών που φθάνει στον νευρώνα πυροδοτεί ένα σήμα που μεταδίδεται περαιτέρω. Τα πολαρίτονα καθιστούν δυνατή τη μίμηση ενός βιολογικού συστήματος, επειδή μόνο η διέγερση με τον κατάλληλο αριθμό φωτονίων πάνω από ένα ορισμένο κατώφλι έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό ενός συμπυκνώματος Bose-Einstein και στη συνέχεια την εκπομπή μιας σύντομης λάμψης picosecond, που είναι ένα σήμα στον επόμενο νευρώνα. .
Για να δημιουργήσουν ένα δείγμα που οι επιστήμονεςπου χρησιμοποιήθηκαν για τη σύλληψη φωτονίων και την παρατήρηση ενός συμπυκνώματος εξιτονικών πολαριτονίων, οι επιστήμονες τακτοποίησαν τα άτομα διαφορετικών τύπων κρυστάλλων ημιαγωγών στρώμα προς στρώμα. Χρησιμοποίησαν επιταξία μοριακής δέσμης για να δημιουργήσουν ένα πρωτότυπο φωτονικό νευρώνα. Για να επιτευχθεί η κατάσταση συμπυκνώματος Bose-Einstein, απαιτείται θερμοκρασία 4 Kelvin (–269,15 °C).
Τι άλλο;
Τώρα οι επιστήμονες σχεδιάζουν να προσαρμόσουν το πείραμαγια θερμοκρασία δωματίου για την αποφυγή κρυογονικών συνθηκών. Απαιτείται έρευνα για νέα υλικά που θα καταστήσουν δυνατή την απόκτηση συμπυκνωμάτων Bose-Einstein και σε υψηλές θερμοκρασίες. Προκειμένου οι φωτονικοί νευρώνες να συνδυαστούν σε δίκτυα, πρέπει να μπορούν να μεταδίδουν σήματα ο ένας στον άλλο. Στην ιδανική περίπτωση, η κατεύθυνση μετάδοσης, δηλαδή το διάγραμμα σύνδεσης, θα πρέπει να αλλάζει εύκολα ανάλογα με τις ανάγκες.
Οι επιστήμονες εξακολουθούν να συναντούν νέαπροβλήματα στην έρευνά τους για νευρομορφικά συστήματα. Η νέα ιδέα των επιστημόνων να αναδημιουργήσουν τις αιχμές των βιολογικών νευρώνων στην οπτική περιοχή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ενός δικτύου και στη συνέχεια ενός νευρομορφικού συστήματος. Στέλνει πληροφορίες εντολές μεγέθους πιο γρήγορα και με πιο ενεργειακά αποδοτικό τρόπο σε σύγκριση με τις υπάρχουσες λύσεις.
Διαβάστε περισσότερα:
Οι αρχαιολόγοι επιβεβαίωσαν επίσημα τους θρύλους από τη Βίβλο
Αποδείχθηκε τι συμβαίνει στα κύτταρα του σώματος όταν πεθαίνει η καρδιά
Το σήμα Starlink παραβιάστηκε για να χρησιμοποιηθεί ως εναλλακτική λύση στο GPS