A Varsói Egyetem Fizikai Karának és a Lengyel Tudományos Akadémia tudósai fotonokat használtak
Hogyan működik az agy?
Az emlősök agya az egyik leginkábbösszetett és hatékony rendszerek a világban. Az 1990-es években idegtudósok kimutatták, hogy a makákókéreg egy része mindössze 30 ezredmásodperc alatt képes a vizuális minták elemzésére és osztályozására. Ugyanakkor a folyamatban részt vevő neuronok mindegyike háromnál kevesebb üzenetet küld elektromos impulzusok formájában. Ezt a nagyszámú szinapszis – az idegsejtek közötti kapcsolatok – tette lehetővé a makákó agyának ideghálózatában.
Az emberi agy egy még erősebb részegépezet. 100 milliárd neuronból áll, amelyek mindegyike átlagosan több ezer kapcsolatot hoz létre más idegsejtekkel. Így jelenik meg egy körülbelül 100 billió kapcsolatból álló neurális hálózat. Nekik köszönhetően agyunk egyszerre képes felismerni, megindokolni és irányítani a mozgást. Műveletek billióit hajtja végre másodpercenként, miközben mindössze 20-25 watt energiát fogyaszt.
Mi a probléma?
Ehhez képest a hagyományos processzorok fogyasztanaktízszer több energia mindössze ezer különböző típusú objektum felismeréséhez. Ez a figyelemre méltó különbség és kivételes agyi teljesítmény többek között a neuronok biokémiájának, az idegi kapcsolatok architektúrájának és a neurális számítási algoritmusok biofizikájának köszönhető.
A társadalom információs étvágya állandónövekszik, ezért igény van a gyors és átfogó feldolgozására. A hagyományos számítástechnikai rendszerek nem képesek kielégíteni a növekvő számítási teljesítmény iránti növekvő igényt, ugyanakkor javítani az energiahatékonyságot. De van megoldás, még ha nehéz is.
Mi a teendő
A probléma megoldása a neuromorf eszközök.Munkájuk az emberi agy elvein alapul. Modellezik a neuronok munkáját és folyamataikat (axonokat és dendriteket), amelyek az adatok továbbításáért és észleléséért felelősek. A neuronok közötti kapcsolatok a szinapszisok miatt jönnek létre - speciális érintkezők, amelyeken keresztül az elektromos jeleket továbbítják.
en.freepik.com
A neuromorf eszközök jelentik a jövőtmesterséges intelligencia, mivel sokkal gyorsabb és hatékonyabb információfeldolgozást tesznek lehetővé olyan feladatokban, mint például a képfelismerés. De ezek létrehozása nem olyan egyszerű, de a Varsói Egyetem Fizikai Karának és a Lengyel Tudományos Akadémia tudósainak van megoldása.
Mit javasoltak a tudósok?
A probléma megoldása érdekében a tudósok ehhez fordultakkvantumszámítás. Javasolták a fotonok oly módon történő használatát, hogy azokat impulzusos neurális hálózatokkal lehessen létrehozni. A fotonikus rendszerek előnye, hogy fénysebességgel, alacsony veszteséggel és alacsony energiafogyasztással biztosítják a kommunikációt.
A fotonok előnye azeloszlásuk gyakorlatilag energiaveszteség nélkül történik. Sajnos viszonylag gyengén kölcsönhatásuk miatt nehezen használhatók az elektronikus rendszerekhez hasonló számítási műveletek elvégzésére.
Az optikai mikroüreg, mint pulzáló neuron.Vizualizáció: Mateusz Krol, forrás: Varsói Egyetem Fizikai Kar). Köszönet: Mateusz Krol, forrás: Varsói Egyetem Fizikai Kar
A tudósok olyan megoldást javasoltak, amelyben a fotonokerős kölcsönhatásba lépnek nagyon kis tömegű részecskékkel - excitonokkal. Ez az erős kölcsönhatás akkor lehetséges, ha a fotonok és az excitonok úgynevezett optikai mikroüregekben csapdába esnek, ami ismétlődő energiacserét eredményez közöttük. Ez a fajta szinergia, amely egy foton és egy exciton közötti mikroüregben lép fel, annyira stabil, hogy a fizikusok excisionális polaritonnak (vagy röviden polaritonnak) nevezik.
A polaritonok egyedi tulajdonságokkal rendelkeznek,különösen bizonyos körülmények között fázisátmenetet mutathatnak Bose G Einstein kondenzátummá. Ebben az állapotban a korábban független többszörös polaritonok megkülönböztethetetlenné válnak.
Mit hoztak fel a tudósok?
A legújabb kísérlet alapjánA tudósok észrevették, hogy amikor a polaritonokat lézerimpulzusok gerjesztik, akkor fényimpulzusokat bocsátanak ki, amelyek utánozzák a biológiai neuronok tüzelését. Ez a hatás közvetlenül összefügg a Bose-Einstein kondenzáció jelenségével, amely vagy elnyomja vagy fokozza az impulzusok kibocsátását.
Tudósok, akik kidolgozták az elméleti alapokatA polaritonok kutatását egy neuron LIF-modelljével (Leaky Integrate-and-Fire modell) kombinálva azt mondta, hogy a csoport most a skálázhatóság problémájának megoldásán dolgozik – sok neuront hálózatba kötve.
A tanulmány készítői javasolják a használatátúj számítástechnikai paradigma. Az információ impulzusok általi kódolásán alapul, amelyek csak akkor váltanak ki jelet, ha az egymás után, a megfelelő időben érkezik meg az idegsejtekhez.
Hogyan fog működni?
Jelenleg neurális hálózatokat használnakegymáshoz kapcsolódó neuronok rétegei, amelyek az egyes kapcsolatokhoz rendelt fontosságtól függően impulzusokat bocsátanak ki (a matematikai leírásban „súlyokra” hivatkozunk). Az ilyen típusú megoldásokkal ellentétben a Laser and Photonics Review-ban leírt új optikai neurális hálózatban a neuronok egy impulzussorozat hatására tüzelnek (azaz aktívvá válnak). Különböző intenzitásban és különböző időintervallumban különbözhetnek.
en.freepik.com
Mint a biológiai esetébenAz elektromos impulzusok által gerjesztett neuronok esetében van egy bizonyos küszöb, amely felett az idegsejteket elérő impulzussorozat jelet vált ki, amely továbbadódik. A polaritonok lehetővé teszik egy biológiai rendszer utánzását, mert csak a megfelelő számú fotonnal egy bizonyos küszöb feletti stimuláció Bose-Einstein kondenzátum képződését, majd egy rövid pikoszekundumos villanás kibocsátását eredményezi, ami egy jel a következő neuronnak. .
Hogy hozzon létre egy mintát, hogy a tudósokfotonok rögzítésére és exciton polaritonok kondenzátumának megfigyelésére használt tudósok rétegenként rendezték el a különböző típusú félvezető kristályok atomjait. Molekuláris nyaláb epitaxiát alkalmaztak egy prototípus fotonikus neuron létrehozásához. A Bose-Einstein kondenzátum állapot eléréséhez 4 Kelvin (–269,15 °C) hőmérsékletre volt szükség.
Mi a következő?
A tudósok most a kísérlet adaptálását tervezikszobahőmérsékletre a kriogén körülmények elkerülése érdekében. Olyan új anyagok kutatására van szükség, amelyek lehetővé teszik Bose-Einstein kondenzátumok előállítását magas hőmérsékleten is. Ahhoz, hogy a fotonikus neuronok hálózatokká egyesüljenek, képesnek kell lenniük jelek továbbítására egymásnak. Ideális esetben az átvitel iránya, vagyis a kapcsolási rajz szükség szerint könnyen változtatható.
A tudósok még mindig újakkal találkoznakproblémákat a neuromorf rendszerek kutatása során. A tudósok új ötlete a biológiai neuronok tüskéinek az optikai régióban való újraalkotására felhasználható egy hálózat, majd egy neuromorf rendszer létrehozására. A meglévő megoldásokhoz képest nagyságrendekkel gyorsabban és energiatakarékosabb módon küld információkat.
Olvass tovább:
A régészek hivatalosan is megerősítették a Bibliából származó legendákat
Kiderült, mi történik a test sejtjeivel, ha a szív meghal
A Starlink jelet feltörték, hogy a GPS alternatívájaként használják