Científicos de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia y de la Academia de Ciencias de Polonia utilizaron fotones para
¿Cómo trabaja el cerebro?
El cerebro de los mamíferos es uno de los mássistemas complejos y eficaces en el mundo. En la década de 1990, los neurocientíficos demostraron que un área de la corteza del macaco era capaz de analizar y clasificar patrones visuales en sólo 30 milisegundos. Al mismo tiempo, cada una de las neuronas implicadas en este proceso envía menos de tres mensajes en forma de impulsos eléctricos. Esto fue posible gracias a la gran cantidad de sinapsis (conexiones entre neuronas) en la red neuronal del cerebro del macaco.
El cerebro humano es parte de un sistema aún más poderoso.mecanismo. Está formado por 100 mil millones de neuronas, cada una de las cuales crea, en promedio, varios miles de conexiones con otras células nerviosas. Así aparece una red neuronal de aproximadamente 100 billones de conexiones. Gracias a ellos, nuestro cerebro es capaz de reconocer, razonar y controlar el movimiento simultáneamente. Realiza billones de operaciones por segundo y consume sólo entre 20 y 25 vatios de energía.
¿Cuál es el problema?
En comparación, los procesadores convencionales consumendiez veces más energía para reconocer sólo mil tipos diferentes de objetos. Esta diferencia notable y el rendimiento cerebral excepcional se deben, entre otras cosas, a la bioquímica de las neuronas, la arquitectura de las conexiones neuronales y la biofísica de los algoritmos computacionales neuronales.
El apetito de la sociedad por la información está constantementeestá creciendo, por lo que se demanda su rápida e integral tramitación. Los sistemas informáticos convencionales no pueden satisfacer la creciente demanda de una mayor potencia informática y al mismo tiempo mejorar la eficiencia energética. Pero hay una solución, aunque difícil.
Que hacer
La solución al problema son los dispositivos neuromórficos.Su trabajo se basa en los principios del cerebro humano. Modelan el trabajo de las neuronas y sus procesos (axones y dendritas), que son los responsables de la transmisión y percepción de los datos. Las conexiones entre las neuronas se forman debido a las sinapsis, contactos especiales a través de los cuales se transmiten las señales eléctricas.
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Los dispositivos neuromórficos son el futurointeligencia artificial, ya que permiten un procesamiento de información mucho más rápido y eficiente en tareas como el reconocimiento de imágenes. Pero crearlos no es tan fácil, pero los científicos de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia y la Academia Polaca de Ciencias tienen una solución.
¿Qué sugirieron los científicos?
Para resolver el problema, los científicos recurrieron acomputación cuántica. Propusieron utilizar fotones de tal manera que pudieran crearse mediante redes neuronales pulsadas. La ventaja de los sistemas fotónicos es que proporcionan comunicación a la velocidad de la luz, bajas pérdidas y bajo consumo de energía.
La ventaja de los fotones es quesu distribución se produce prácticamente sin pérdida de energía. Desafortunadamente, debido al hecho de que interactúan relativamente débilmente, son difíciles de utilizar para realizar operaciones computacionales de manera similar a los sistemas electrónicos.
Microcavidad óptica como neurona pulsante.Visualización: Mateusz Krol, fuente: Facultad de Física, Universidad de Varsovia). Crédito: Mateusz Krol, fuente: Facultad de Física, Universidad de Varsovia
Los científicos han propuesto una solución en la que los fotonesinteractúan fuertemente con partículas de muy baja masa: excitones. Esta fuerte interacción es posible cuando fotones y excitones quedan atrapados juntos en las llamadas microcavidades ópticas, lo que da como resultado un intercambio repetido de energía entre ellos. Este tipo de sinergia, que se produce en una microcavidad entre un fotón y un excitón, es tan estable que los físicos lo llaman polaritón de escisión (o polaritón para abreviar).
Los polaritones tienen propiedades únicas,Especialmente bajo ciertas condiciones, pueden presentar una transición de fase hacia un condensado de Bose G Einstein. En este estado, múltiples polaritones previamente independientes se vuelven indistinguibles.
¿Qué inventaron los científicos?
Basado en el último experimento,Los científicos han notado que cuando los polaritones son excitados por pulsos láser, emiten pulsos de luz de una manera que imita la activación de neuronas biológicas. Este efecto está directamente relacionado con el fenómeno de la condensación de Bose-Einstein, que suprime o potencia la emisión de pulsos.
Científicos que desarrollaron los fundamentos teóricos.combinando la investigación sobre polaritones con el modelo LIF de una neurona (Leaky Integrate-and-Fire model), dijo que el grupo ahora está trabajando para resolver el problema de la escalabilidad: conectar muchas neuronas en una red.
Los autores del estudio sugieren utilizarnuevo paradigma informático. Se basa en la codificación de información mediante impulsos que desencadenan una señal sólo cuando llega secuencialmente a la neurona en el momento adecuado.
¿Cómo funcionará?
Actualmente, las redes neuronales utilizancapas de neuronas interconectadas que disparan impulsos dependiendo de la importancia asignada a cada conexión (en la descripción matemática nos referimos a “pesos”). A diferencia de este tipo de solución, en la nueva red neuronal óptica descrita en Laser and Photonics Review, las neuronas se activan (es decir, se activan) en respuesta a una secuencia de pulsos. Pueden diferir en diferentes intensidades y diferentes intervalos de tiempo.
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Como en el caso de los biológicos.En las neuronas que se excitan mediante impulsos eléctricos, existe un cierto umbral por encima del cual esta secuencia de impulsos que llegan a la neurona desencadena una señal que se transmite más. Los polaritones permiten imitar un sistema biológico porque sólo la estimulación con el número apropiado de fotones por encima de un cierto umbral da como resultado la formación de un condensado de Bose-Einstein y luego la emisión de un breve destello de picosegundo, que es una señal para la siguiente neurona. .
Para crear una muestra que los científicosUtilizados para capturar fotones y observar un condensado de polaritones excitónicos, los científicos ordenaron los átomos de varios tipos de cristales semiconductores capa por capa. Utilizaron epitaxia de haz molecular para crear un prototipo de neurona fotónica. Para alcanzar el estado de condensado de Bose-Einstein, se necesitaba una temperatura de 4 Kelvin (–269,15 °C).
Que sigue
Ahora los científicos planean adaptar el experimento.para temperatura ambiente para evitar condiciones criogénicas. Es necesario investigar nuevos materiales que permitan obtener condensados de Bose-Einstein también a altas temperaturas. Para que las neuronas fotónicas se combinen en redes, deben poder transmitirse señales entre sí. Idealmente, la dirección de transmisión, es decir, el diagrama de conexión, debería cambiarse fácilmente según sea necesario.
Los científicos todavía están encontrando nuevosproblemas en su investigación de sistemas neuromórficos. La nueva idea de los científicos de recrear los picos de las neuronas biológicas en la región óptica se puede utilizar para crear una red y luego un sistema neuromórfico. Envía información en órdenes de magnitud más rápido y de forma más eficiente desde el punto de vista energético en comparación con las soluciones existentes.
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