Gli scienziati della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia e dell'Accademia Polacca delle Scienze hanno utilizzato i fotoni
Come funziona il cervello?
Il cervello dei mammiferi è uno dei piùsistemi complessi ed efficaci nel mondo. Negli anni ’90, i neuroscienziati hanno dimostrato che un’area della corteccia del macaco era in grado di analizzare e classificare schemi visivi in soli 30 millisecondi. Allo stesso tempo, ciascuno dei neuroni coinvolti in questo processo invia meno di tre messaggi sotto forma di impulsi elettrici. Ciò è stato reso possibile grazie al gran numero di sinapsi – connessioni tra neuroni – nella rete neurale del cervello del macaco.
Il cervello umano è parte di un sistema ancora più potentemeccanismo. È composto da 100 miliardi di neuroni, ciascuno dei quali crea, in media, diverse migliaia di connessioni con altre cellule nervose. Ecco come appare una rete neurale di circa 100 trilioni di connessioni. Grazie ad essi il nostro cervello è in grado di riconoscere, ragionare e controllare contemporaneamente il movimento. Esegue trilioni di operazioni al secondo consumando solo 20-25 watt di potenza.
Qual è il problema?
In confronto, i processori convenzionali consumanodieci volte più energia per riconoscere solo mille tipi diversi di oggetti. Questa notevole differenza e l’eccezionale prestazione cerebrale sono dovute, tra le altre cose, alla biochimica dei neuroni, all’architettura delle connessioni neurali e alla biofisica degli algoritmi computazionali neurali.
L'appetito di informazioni della società è costantesta crescendo, quindi c'è una richiesta per la sua elaborazione rapida e completa. I sistemi informatici convenzionali non sono in grado di soddisfare la crescente domanda di aumento della potenza di calcolo e allo stesso tempo di miglioramento dell’efficienza energetica. Ma una soluzione esiste, anche se difficile.
Cosa fare
La soluzione al problema sono i dispositivi neuromorfici.Il loro lavoro si basa sui principi del cervello umano. Modellano il lavoro dei neuroni e dei loro processi (assoni e dendriti), che sono responsabili della trasmissione e della percezione dei dati. Le connessioni tra i neuroni si formano a causa delle sinapsi, contatti speciali attraverso i quali vengono trasmessi i segnali elettrici.
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I dispositivi neuromorfici sono il futurointelligenza artificiale, poiché consentono un'elaborazione molto più rapida ed efficiente delle informazioni in compiti come il riconoscimento delle immagini. Ma crearli non è così facile, ma gli scienziati della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia e dell’Accademia Polacca delle Scienze hanno una soluzione.
Cosa hanno suggerito gli scienziati?
Per risolvere il problema, gli scienziati si sono rivolti acalcolo quantistico. Hanno proposto di utilizzare i fotoni in modo tale da poter essere creati da reti neurali pulsate. Il vantaggio dei sistemi fotonici è che forniscono comunicazioni alla velocità della luce, con basse perdite e bassi consumi energetici.
Il vantaggio dei fotoni è questola loro distribuzione avviene praticamente senza alcuna perdita di energia. Sfortunatamente, poiché interagiscono in modo relativamente debole, sono difficili da utilizzare per eseguire operazioni computazionali in modo simile ai sistemi elettronici.
Microcavità ottica come neurone pulsante.Visualizzazione: Mateusz Krol, fonte: Facoltà di Fisica, Università di Varsavia). Credito: Mateusz Krol, fonte: Facoltà di Fisica, Università di Varsavia
Gli scienziati hanno proposto una soluzione in cui i fotoniinteragiscono fortemente con particelle di massa molto bassa - eccitoni. Questa forte interazione è possibile quando fotoni ed eccitoni sono intrappolati insieme nelle cosiddette microcavità ottiche, determinando un ripetuto scambio di energia tra di loro. Questo tipo di sinergia, che si verifica in una microcavità tra un fotone e un eccitone, è così stabile che i fisici lo chiamano polaritone escissionale (o polaritone in breve).
I polaritoni hanno proprietà uniche,soprattutto in determinate condizioni, possono mostrare una transizione di fase in un condensato di Bose G Einstein. In questo stato, i polaritoni multipli precedentemente indipendenti diventano indistinguibili.
Che cosa hanno inventato gli scienziati?
Sulla base dell'ultimo esperimento,Gli scienziati hanno notato che quando i polaritoni vengono eccitati dagli impulsi laser, emettono impulsi luminosi in un modo che imita l'attivazione dei neuroni biologici. Questo effetto è direttamente correlato al fenomeno della condensazione di Bose-Einstein, che sopprime o potenzia l'emissione di impulsi.
Scienziati che hanno sviluppato le basi teorichecombinando la ricerca sui polaritoni con il modello LIF di un neurone (modello Leaky Integrate-and-Fire), ha affermato che il gruppo sta ora lavorando per risolvere il problema della scalabilità, collegando molti neuroni in una rete.
Gli autori dello studio suggeriscono di utilizzarenuovo paradigma informatico. Si basa sulla codifica delle informazioni tramite impulsi che attivano un segnale solo quando arriva al neurone in sequenza al momento giusto.
Come funzionerà?
Attualmente, le reti neurali utilizzanostrati di neuroni interconnessi che sparano impulsi a seconda dell’importanza assegnata a ciascuna connessione (nella descrizione matematica si parla di “pesi”). A differenza di questo tipo di soluzione, nella nuova rete neurale ottica descritta nella Laser and Photonics Review, i neuroni si attivano (cioè si attivano) in risposta a una sequenza di impulsi. Possono differire in diverse intensità e diversi intervalli di tempo.
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Come nel caso del biologiconeuroni che vengono eccitati da impulsi elettrici, esiste una certa soglia al di sopra della quale questa sequenza di impulsi che raggiunge il neurone innesca un segnale che viene trasmesso ulteriormente. I polaritoni consentono di imitare un sistema biologico perché solo la stimolazione con il numero appropriato di fotoni al di sopra di una certa soglia provoca la formazione di un condensato di Bose-Einstein e quindi l'emissione di un breve lampo di picosecondi, che è un segnale al neurone successivo .
Per creare un campione che gli scienziatiutilizzato per catturare fotoni e osservare un condensato di polaritoni eccitonici, gli scienziati hanno disposto strato per strato gli atomi di diversi tipi di cristalli semiconduttori. Hanno usato l'epitassia del fascio molecolare per creare un prototipo di neurone fotonico. Per raggiungere lo stato di condensato di Bose-Einstein era necessaria una temperatura di 4 Kelvin (–269,15 °C).
Qual è il prossimo?
Ora gli scienziati stanno progettando di adattare l’esperimentoa temperatura ambiente per evitare condizioni criogeniche. Sono necessarie ricerche su nuovi materiali che permettano di ottenere condensati di Bose-Einstein anche ad alte temperature. Affinché i neuroni fotonici possano essere combinati in reti, devono essere in grado di trasmettersi segnali tra loro. Idealmente, la direzione di trasmissione, cioè lo schema di collegamento, dovrebbe essere facilmente modificato secondo necessità.
Gli scienziati stanno ancora incontrando novitàproblemi nella loro ricerca sui sistemi neuromorfici. La nuova idea degli scienziati di ricreare i picchi dei neuroni biologici nella regione ottica può essere utilizzata per creare una rete e quindi un sistema neuromorfico. Invia informazioni di ordini di grandezza più velocemente e in modo più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alle soluzioni esistenti.
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