מדענים מהפקולטה לפיזיקה של אוניברסיטת ורשה ומהאקדמיה הפולנית למדעים השתמשו בפוטונים כדי
כיצד פועל המוח?
מוח היונקים הוא אחד מהמוחים ביותרמערכות מורכבות ו יעילות בעולם. בשנות ה-90, מדעני מוח הראו שאזור אחד של קליפת המקוק מסוגל לנתח ולסווג דפוסים חזותיים תוך 30 אלפיות שניות בלבד. יחד עם זאת, כל אחד מהנוירונים המעורבים בתהליך זה שולח פחות משלושה מסרים בצורה של דחפים חשמליים. זה התאפשר הודות למספר הגדול של סינפסות - קשרים בין נוירונים - ברשת העצבית של מוח המקוק.
המוח האנושי הוא חלק מחזק עוד יותרמַנגָנוֹן. הוא מורכב מ-100 מיליארד נוירונים, שכל אחד מהם יוצר, בממוצע, כמה אלפי קשרים עם תאי עצב אחרים. כך מופיעה רשת עצבית של כ-100 טריליון קשרים. הודות להם, המוח שלנו מסוגל לזהות, לנמק ולשלוט בו זמנית בתנועה. הוא מבצע טריליוני פעולות בשנייה תוך צריכת חשמל של 20-25 וואט בלבד.
מה הבעיה?
לשם השוואה, מעבדים קונבנציונליים צורכיםפי עשרה יותר אנרגיה כדי לזהות רק אלף סוגים שונים של חפצים. ההבדל המדהים הזה וביצועי המוח יוצאי הדופן נובעים, בין היתר, מהביוכימיה של נוירונים, מהארכיטקטורה של קשרים עצביים, ומהביופיזיקה של אלגוריתמים חישוביים עצביים.
התיאבון של החברה למידע הוא מתמידגדל, ולכן יש בקשה לעיבוד מהיר ומקיף שלו. מערכות מחשוב קונבנציונליות אינן מסוגלות לענות על הדרישה ההולכת וגוברת להגדלת כוח המחשוב תוך שיפור היעילות האנרגטית. אבל יש פתרון, אם כי קשה.
מה לעשות
הפתרון לבעיה הוא מכשירים נוירומורפיים.עבודתם מבוססת על עקרונות המוח האנושי. הם מדגמים את עבודתם של נוירונים והתהליכים שלהם (אקסונים ודנדריטים), שאחראים על העברה ותפיסה של נתונים. קשרים בין נוירונים נוצרים עקב סינפסות - מגעים מיוחדים דרכם מועברים אותות חשמליים.
en.freepik.com
מכשירים נוירומורפיים הם העתידבינה מלאכותית, שכן הם מאפשרים עיבוד מהיר ויעיל הרבה יותר של מידע במשימות כמו זיהוי תמונות. אבל ליצור אותם זה לא כל כך קל, אבל למדענים מהפקולטה לפיזיקה של אוניברסיטת ורשה ומהאקדמיה הפולנית למדעים יש פתרון.
מה הציעו המדענים?
כדי לפתור את הבעיה, פנו מדעניםמחשוב קוונטי. הם הציעו להשתמש בפוטונים בצורה כזו שיוכלו להיווצר על ידי רשתות עצביות פעימות. היתרון של מערכות פוטוניות הוא בכך שהן מספקות תקשורת במהירות האור, אובדן נמוך וצריכת חשמל נמוכה.
היתרון של פוטונים הוא זהההפצה שלהם מתרחשת כמעט ללא אובדן אנרגיה. למרבה הצער, בשל העובדה שהם מקיימים אינטראקציה חלשה יחסית, קשה להשתמש בהם לביצוע פעולות חישוביות באופן דומה למערכות אלקטרוניות.
חלל מיקרו אופטי כנוירון פועם.הדמיה: Mateusz Krol, מקור: הפקולטה לפיזיקה, אוניברסיטת ורשה). קרדיט: Mateusz Krol, מקור: הפקולטה לפיזיקה, אוניברסיטת ורשה
מדענים הציעו פתרון שבו פוטוניםאינטראקציה חזקה עם חלקיקים בעלי מסה נמוכה מאוד - אקסיטונים. אינטראקציה חזקה זו אפשרית כאשר פוטונים ואקסיטונים לכודים יחד במה שנקרא חללים מיקרו אופטיים, וכתוצאה מכך חילופי אנרגיה חוזרים ונשנים ביניהם. סוג זה של סינרגיה, המתרחש במיקרו-חלל בין פוטון לאקסיטון, הוא כל כך יציב, עד שהפיזיקאים קוראים לזה פולאריטון חריג (או בקיצור פולאריטון).
לפולריטונים יש תכונות ייחודיות,במיוחד בתנאים מסוימים, הם יכולים להציג מעבר פאזה לתוך מעובה של Bose G Einstein. במצב זה, קוטביות מרובות בלתי תלויות בעבר הופכות לבלתי ניתנות להבחנה.
מה המציאו מדענים?
בהתבסס על הניסוי האחרון,מדענים שמו לב שכאשר פולריטונים נרגשים על ידי פולסי לייזר, הם פולטים פולסי אור באופן המחקה ירי של נוירונים ביולוגיים. השפעה זו קשורה ישירות לתופעה של עיבוי Bose-Einstein, אשר מדכא או מגביר את פליטת הפולסים.
מדענים שפיתחו את היסודות התיאורטייםשילוב מחקר על פולריטונים עם מודל LIF של נוירון (מודל Leaky Integrate-and-Fire), אמר שהקבוצה עובדת כעת על פתרון בעיית המדרגיות - חיבור נוירונים רבים לרשת.
מחברי המחקר מציעים להשתמשפרדיגמת מחשוב חדשה. הוא מבוסס על קידוד מידע על ידי דחפים המעוררים אות רק כאשר הוא מגיע לנוירון ברצף בזמן הנכון.
איך זה יעבוד?
נכון לעכשיו, רשתות עצביות משתמשותשכבות של נוירונים מחוברים זה לזה שיורים דחפים בהתאם לחשיבות המיוחסת לכל קשר (בתיאור המתמטי אנו מתייחסים ל"משקולות"). בניגוד לפתרון מסוג זה, ברשת העצבית האופטית החדשה המתוארת ב- Laser and Photonics Review, נוירונים יורים (כלומר הופכים פעילים) בתגובה לרצף של פולסים. הם יכולים להיות שונים בעוצמות שונות ובמרווחי זמן שונים.
en.freepik.com
כמו במקרה עם ביולוגינוירונים שמתרגשים על ידי דחפים חשמליים, יש סף מסוים שמעליו רצף הדחפים הזה המגיע לנוירון מפעיל אות שמועבר הלאה. פולריטונים מאפשרים לחקות מערכת ביולוגית מכיוון שרק גירוי עם מספר פוטונים מתאים מעל סף מסוים מביא ליצירת עיבוי Bose-Instein ולאחר מכן פליטת הבזק קצר של פיקושניות, שהוא אות לנוירון הבא. .
כדי ליצור מדגם שמדעניםהמדענים, המשמשים ללכידת פוטונים ולצפייה בתעבות של קוטבים אקציטוניים, סידרו שכבה אחר שכבה את האטומים של סוגים שונים של גבישים מוליכים למחצה. הם השתמשו באפיטקסיה של קרן מולקולרית כדי ליצור אב טיפוס של נוירון פוטוני. כדי להשיג את מצב הקונדנסט של Bose-Einstein, נדרשה טמפרטורה של 4 קלווין (-269.15 מעלות צלזיוס).
מה הלאה?
כעת מתכננים מדענים להתאים את הניסויעבור טמפרטורת החדר כדי למנוע מצבים קריוגניים. יש צורך במחקר על חומרים חדשים שיאפשרו להשיג קונדנסטים של Bose-Instein גם בטמפרטורות גבוהות. כדי שנוירונים פוטוניים ישולבו לרשתות, עליהם להיות מסוגלים להעביר אותות זה לזה. באופן אידיאלי, יש לשנות בקלות את כיוון השידור, כלומר את דיאגרמת החיבור, לפי הצורך.
מדענים עדיין נתקלים בחדשיםבעיות במחקר שלהם על מערכות נוירומורפיות. ניתן להשתמש ברעיון החדש של מדענים ליצור מחדש את הקוצים של נוירונים ביולוגיים באזור האופטי ליצירת רשת ולאחר מכן מערכת נוירומורפית. הוא שולח מידע בסדרי גודל מהר יותר ובצורה חסכונית יותר באנרגיה בהשוואה לפתרונות קיימים.
קרא עוד:
ארכיאולוגים אישרו רשמית את האגדות מהתנ"ך
התברר מה קורה לתאי הגוף כשהלב מת
אות Starlink נפרץ כדי לשמש כחלופה ל-GPS