Des scientifiques de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie et de l'Académie polonaise des sciences ont utilisé des photons pour
Comment fonctionne le cerveau?
Le cerveau des mammifères est l'un des plussystèmes complexes et efficaces dans le monde. Dans les années 1990, des neuroscientifiques ont montré qu’une zone du cortex du macaque était capable d’analyser et de classer des modèles visuels en seulement 30 millisecondes. Dans le même temps, chacun des neurones impliqués dans ce processus envoie moins de trois messages sous forme d’impulsions électriques. Cela a été rendu possible grâce au grand nombre de synapses (connexions entre neurones) dans le réseau neuronal du cerveau du macaque.
Le cerveau humain fait partie d’un système encore plus puissantmécanisme. Il est constitué de 100 milliards de neurones, chacun créant en moyenne plusieurs milliers de connexions avec d’autres cellules nerveuses. C’est ainsi qu’apparaît un réseau neuronal d’environ 100 000 milliards de connexions. Grâce à eux, notre cerveau est capable simultanément de reconnaître, raisonner et contrôler le mouvement. Il effectue des milliards d’opérations par seconde tout en consommant seulement 20 à 25 watts d’énergie.
Quel est le problème?
En comparaison, les processeurs conventionnels consommentdix fois plus d'énergie pour reconnaître seulement un millier de types d'objets différents. Cette différence remarquable et ces performances cérébrales exceptionnelles sont dues, entre autres, à la biochimie des neurones, à l’architecture des connexions neuronales et à la biophysique des algorithmes de calcul neuronaux.
L'appétit d'information de la société est constammentest en croissance, il existe donc une demande pour son traitement rapide et complet. Les systèmes informatiques conventionnels sont incapables de répondre à la demande croissante de puissance de calcul croissante tout en améliorant simultanément l’efficacité énergétique. Mais il existe une solution, même si elle est difficile.
Que faire
La solution au problème réside dans les dispositifs neuromorphiques.Leur travail est basé sur les principes du cerveau humain. Ils modélisent le travail des neurones et leurs processus (axones et dendrites), responsables de la transmission et de la perception des données. Les connexions entre les neurones sont formées grâce aux synapses - des contacts spéciaux à travers lesquels les signaux électriques sont transmis.
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Les appareils neuromorphiques sont l’avenirl'intelligence artificielle, car ils permettent un traitement beaucoup plus rapide et efficace des informations dans des tâches telles que la reconnaissance d'images. Mais les créer n'est pas si simple, mais les scientifiques de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie et de l'Académie polonaise des sciences ont une solution.
Qu'ont suggéré les scientifiques?
Pour résoudre le problème, les scientifiques se sont tournés versinformatique quantique. Ils ont proposé d'utiliser les photons de manière à ce qu'ils puissent être créés par des réseaux neuronaux pulsés. L’avantage des systèmes photoniques est qu’ils permettent une communication à la vitesse de la lumière, avec de faibles pertes et une faible consommation d’énergie.
L'avantage des photons est queleur distribution s'effectue pratiquement sans perte d'énergie. Malheureusement, en raison de leur interaction relativement faible, ils sont difficiles à utiliser pour effectuer des opérations informatiques de la même manière que les systèmes électroniques.
Microcavité optique comme neurone pulsé.Visualisation : Mateusz Krol, source : Faculté de physique, Université de Varsovie). Crédit : Mateusz Krol, source : Faculté de physique, Université de Varsovie
Les scientifiques ont proposé une solution dans laquelle les photonsinteragissent fortement avec des particules de très faible masse - les excitons. Cette forte interaction est possible lorsque les photons et les excitons sont piégés ensemble dans ce que l’on appelle des microcavités optiques, entraînant un échange répété d’énergie entre eux. Ce type de synergie, qui se produit dans une microcavité entre un photon et un exciton, est si stable que les physiciens l'appellent polariton d'excision (ou polariton en abrégé).
Les polaritons ont des propriétés uniques,notamment dans certaines conditions, ils peuvent présenter une transition de phase vers un condensat de Bose G Einstein. Dans cet état, plusieurs polaritons auparavant indépendants deviennent impossibles à distinguer.
Qu'est-ce que les scientifiques ont trouvé?
Sur la base de la dernière expérience,Les scientifiques ont remarqué que lorsque les polaritons sont excités par des impulsions laser, ils émettent des impulsions lumineuses d’une manière qui imite l’activation des neurones biologiques. Cet effet est directement lié au phénomène de condensation de Bose-Einstein, qui supprime ou améliore l'émission d'impulsions.
Scientifiques qui ont développé les fondements théoriquescombinant la recherche sur les polaritons avec le modèle LIF d'un neurone (modèle Leaky Integrate-and-Fire), a déclaré que le groupe travaille actuellement à résoudre le problème de l'évolutivité - connecter de nombreux neurones en réseau.
Les auteurs de l'étude suggèrent d'utilisernouveau paradigme informatique. Il repose sur l’encodage d’informations par des impulsions qui déclenchent un signal uniquement lorsqu’il arrive séquentiellement au neurone au bon moment.
Comment cela fonctionnera-t-il?
Actuellement, les réseaux de neurones utilisentdes couches de neurones interconnectés qui déclenchent des impulsions en fonction de l'importance attribuée à chaque connexion (dans la description mathématique, nous faisons référence à des « poids »). Contrairement à ce type de solution, dans le nouveau réseau de neurones optiques décrit dans Laser and Photonics Review, les neurones se déclenchent (c'est-à-dire deviennent actifs) en réponse à une séquence d'impulsions. Ils peuvent différer selon différentes intensités et différents intervalles de temps.
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Comme dans le cas des produits biologiquesDans les neurones excités par des impulsions électriques, il existe un certain seuil au-dessus duquel cette séquence d'impulsions atteignant le neurone déclenche un signal qui est ensuite transmis. Les polaritons permettent de mimer un système biologique car seule une stimulation avec le nombre approprié de photons au-dessus d'un certain seuil entraîne la formation d'un condensat de Bose-Einstein puis l'émission d'un court flash picoseconde, qui est un signal vers le neurone suivant. .
Pour créer un échantillon que les scientifiquesutilisé pour capturer des photons et observer un condensat de polaritons excitoniques, les scientifiques ont disposé couche par couche les atomes de différents types de cristaux semi-conducteurs. Ils ont utilisé l’épitaxie par jet moléculaire pour créer un prototype de neurone photonique. Pour atteindre l’état de condensat de Bose-Einstein, une température de 4 Kelvin (–269,15 °C) était nécessaire.
Et ensuite?
Les scientifiques envisagent désormais d'adapter l'expérienceà température ambiante pour éviter les conditions cryogéniques. Des recherches sont nécessaires sur de nouveaux matériaux qui permettront d'obtenir des condensats de Bose-Einstein également à haute température. Pour que les neurones photoniques puissent être combinés en réseaux, ils doivent être capables de se transmettre des signaux. Idéalement, le sens de transmission, c'est-à-dire le schéma de connexion, devrait être facilement modifié selon les besoins.
Les scientifiques sont encore confrontés à de nouvellesproblèmes dans leur recherche sur les systèmes neuromorphiques. La nouvelle idée des scientifiques visant à recréer les pointes des neurones biologiques dans la région optique peut être utilisée pour créer un réseau puis un système neuromorphique. Il envoie des informations de plusieurs ordres de grandeur plus rapidement et de manière plus économe en énergie que les solutions existantes.
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