Znanstvenici s Fakulteta fizike Sveučilišta u Varšavi i Poljske akademije znanosti koristili su fotone za
Kako funkcionira mozak?
Mozak sisavaca jedan je od najsloženih i učinkovitih sustava u svijetu. U 1990-ima neuroznanstvenici su pokazali da je jedno područje korteksa makakija sposobno analizirati i klasificirati vizualne obrasce u samo 30 milisekundi. Istodobno, svaki od neurona uključenih u ovaj proces šalje manje od tri poruke u obliku električnih impulsa. To je bilo moguće zahvaljujući velikom broju sinapsi — veza između neurona — u neuronskoj mreži mozga makakija.
Ljudski mozak je dio još moćnijegmehanizam. Sastoji se od 100 milijardi neurona od kojih svaki stvara u prosjeku nekoliko tisuća veza s drugim živčanim stanicama. Tako nastaje neuronska mreža od približno 100 trilijuna veza. Zahvaljujući njima, naš mozak može istovremeno prepoznavati, rasuđivati i kontrolirati kretanje. Izvodi trilijune operacija u sekundi dok troši samo 20-25 vata energije.
U čemu je problem?
Za usporedbu, konvencionalni procesori trošedeset puta više energije za prepoznavanje samo tisuću različitih vrsta objekata. Ova izvanredna razlika i iznimna izvedba mozga posljedica je, između ostalog, biokemije neurona, arhitekture neuronskih veza i biofizike neuronskih računalnih algoritama.
Apetit društva za informacijama je stalanraste, pa postoji zahtjev za njegovu brzu i sveobuhvatnu obradu. Konvencionalni računalni sustavi ne mogu zadovoljiti sve veću potražnju za povećanjem računalne snage uz istovremeno poboljšanje energetske učinkovitosti. Ali postoji rješenje, iako teško.
Što učiniti
Rješenje problema su neuromorfni uređaji.Njihov rad temelji se na principima ljudskog mozga. Oni modeliraju rad neurona i njihovih procesa (aksona i dendrita), koji su odgovorni za prijenos i percepciju podataka. Veze između neurona nastaju zahvaljujući sinapsama - posebnim kontaktima kroz koje se prenose električni signali.
hr.freepik.com
Neuromorfni uređaji su budućnostumjetne inteligencije, jer omogućuju mnogo bržu i učinkovitiju obradu informacija u zadacima kao što je prepoznavanje slika. Ali njihovo stvaranje nije tako jednostavno, ali znanstvenici s Fakulteta fizike Sveučilišta u Varšavi i Poljske akademije znanosti imaju rješenje.
Što su znanstvenici predložili?
Kako bi riješili problem, znanstvenici su se obratilikvantno računanje. Predložili su korištenje fotona na takav način da ih se može stvoriti pulsirajućim neuronskim mrežama. Prednost fotonskih sustava je što omogućuju komunikaciju brzinom svjetlosti, male gubitke i malu potrošnju energije.
Prednost fotona je tanjihova distribucija događa se gotovo bez gubitka energije. Nažalost, zbog činjenice da relativno slabo međusobno djeluju, teško ih je koristiti za izvođenje računalnih operacija na sličan način kao elektronički sustavi.
Optička mikrošupljina kao pulsirajući neuron.Vizualizacija: Mateusz Krol, izvor: Fakultet fizike, Sveučilište u Varšavi). Zasluge: Mateusz Krol, izvor: Fakultet fizike, Sveučilište u Varšavi
Znanstvenici su predložili rješenje u kojem fotonisnažno međudjeluju s česticama vrlo male mase – ekscitonima. Ova snažna interakcija moguća je kada su fotoni i ekscitoni zarobljeni zajedno u takozvanim optičkim mikrošupljinama, što rezultira ponovljenom izmjenom energije između njih. Ova vrsta sinergije, koja se javlja u mikrošupljini između fotona i ekscitona, toliko je stabilna da je fizičari nazivaju ekscizijski polariton (ili skraćeno polariton).
Polaritoni imaju jedinstvena svojstva,posebno pod određenim uvjetima, mogu pokazati fazni prijelaz u Bose G Einsteinov kondenzat. U tom stanju, prethodno nezavisni višestruki polaritoni postaju nerazlučivi.
Što su znanstvenici smislili?
Na temelju najnovijeg eksperimenta,Znanstvenici su primijetili da kada su polaritoni pobuđeni laserskim impulsima, oni emitiraju svjetlosne impulse na način koji oponaša paljenje bioloških neurona. Ovaj učinak je izravno povezan s fenomenom Bose-Einsteinove kondenzacije, koja ili potiskuje ili pojačava emisiju impulsa.
Znanstvenici koji su razvili teorijske osnovekombinirajući istraživanje polaritona s LIF modelom neurona (Leaky Integrate-and-Fire model), rekao je da grupa sada radi na rješavanju problema skalabilnosti – povezivanja mnogih neurona u mrežu.
Autori studije predlažu korištenjenova računalna paradigma. Temelji se na kodiranju informacija pomoću impulsa koji pokreću signal tek kada on stigne do neurona sekvencijalno u pravo vrijeme.
Kako će to funkcionirati?
Trenutačno se neuronske mreže koristeslojevi međusobno povezanih neurona koji ispaljuju impulse ovisno o važnosti dodijeljenoj svakoj vezi (u matematičkom opisu pozivamo se na "težine"). Za razliku od ove vrste rješenja, u novoj optičkoj neuronskoj mreži opisanoj u Laser and Photonics Review, neuroni se pale (tj. postaju aktivni) kao odgovor na niz impulsa. Mogu se razlikovati u različitim intenzitetima i različitim vremenskim intervalima.
hr.freepik.com
Kao u slučaju s biološkomneurona koji su pobuđeni električnim impulsima, postoji određeni prag iznad kojeg ovaj niz impulsa koji dolazi do neurona pokreće signal koji se dalje prenosi. Polaritoni omogućuju oponašanje biološkog sustava jer samo stimulacija s odgovarajućim brojem fotona iznad određenog praga rezultira stvaranjem Bose-Einsteinovog kondenzata i zatim emisijom kratkog pikosekundnog bljeska, što je signal sljedećem neuronu .
Za stvaranje uzorka koji znanstvenicikorišten za hvatanje fotona i promatranje kondenzata ekscitonskih polaritona, znanstvenici su rasporedili atome različitih tipova poluvodičkih kristala sloj po sloj. Koristili su epitaksiju molekularnim snopom za stvaranje prototipa fotonskog neurona. Da bi se postiglo stanje Bose-Einsteinovog kondenzata, bila je potrebna temperatura od 4 Kelvina (–269,15 °C).
Što je sljedeće?
Sada znanstvenici planiraju prilagoditi eksperimentza sobnu temperaturu kako biste izbjegli kriogene uvjete. Potrebna su istraživanja novih materijala koji će omogućiti dobivanje Bose-Einsteinovih kondenzata i na visokim temperaturama. Da bi se fotonski neuroni mogli kombinirati u mreže, moraju moći međusobno prenositi signale. Idealno bi bilo da se smjer prijenosa, odnosno dijagram veze, po potrebi lako mijenja.
Znanstvenici se još uvijek susreću s novimproblema u njihovom istraživanju neuromorfnih sustava. Nova ideja znanstvenika za ponovno stvaranje šiljaka bioloških neurona u optičkoj regiji može se koristiti za stvaranje mreže, a potom i neuromorfnog sustava. Šalje informacije redove veličine brže i na energetski učinkovitiji način u usporedbi s postojećim rješenjima.
Čitaj više:
Arheolozi su službeno potvrdili legende iz Biblije
Pokazalo se što se događa sa stanicama tijela kada srce umre
Starlink signal hakiran kako bi se koristio kao alternativa GPS-u