Varšuvos universiteto Fizikos fakulteto ir Lenkijos mokslų akademijos mokslininkai fotonus naudojo
Kaip veikia smegenys?
Žinduolių smegenys yra vienos iš labiausiaisudėtingų ir veiksmingų sistemų pasaulyje. Dešimtajame dešimtmetyje neurologai parodė, kad viena makakos žievės sritis sugebėjo išanalizuoti ir klasifikuoti regėjimo modelius vos per 30 milisekundžių. Tuo pačiu metu kiekvienas šiame procese dalyvaujantis neuronas siunčia mažiau nei tris pranešimus elektrinių impulsų pavidalu. Tai tapo įmanoma dėl daugybės sinapsių – jungčių tarp neuronų – makakos smegenų neuroniniame tinkle.
Žmogaus smegenys yra dar galingesnio žmogaus dalismechanizmas. Jį sudaro 100 milijardų neuronų, kurių kiekvienas sukuria vidutiniškai kelis tūkstančius jungčių su kitomis nervinėmis ląstelėmis. Taip atsiranda maždaug 100 trilijonų jungčių neuroninis tinklas. Jų dėka mūsų smegenys gali vienu metu atpažinti, mąstyti ir valdyti judesius. Jis atlieka trilijonus operacijų per sekundę, sunaudodamas tik 20–25 vatus energijos.
Kokia problema?
Palyginimui, įprasti procesoriai vartojadešimt kartų daugiau energijos atpažinti vos tūkstantį skirtingų tipų objektų. Šį nuostabų skirtumą ir išskirtinį smegenų našumą, be kita ko, lemia neuronų biochemija, nervinių jungčių architektūra ir neuroninių skaičiavimo algoritmų biofizika.
Visuomenės informacijos potraukis yra nuolatinisauga, todėl yra prašymas jį greitai ir visapusiškai apdoroti. Įprastos skaičiavimo sistemos nepajėgios patenkinti augančio poreikio didinti skaičiavimo galią ir tuo pat metu pagerinti energijos vartojimo efektyvumą. Tačiau yra sprendimas, nors ir sudėtingas.
Ką daryti
Problemos sprendimas – neuromorfiniai prietaisai.Jų darbas grindžiamas žmogaus smegenų principais. Jie modeliuoja neuronų darbą ir jų procesus (aksonus ir dendritus), kurie yra atsakingi už duomenų perdavimą ir suvokimą. Ryšiai tarp neuronų susidaro dėl sinapsių – specialių kontaktų, per kuriuos perduodami elektros signalai.
en.freepik.com
Neuromorfiniai prietaisai yra ateitisdirbtinis intelektas, nes leidžia daug greičiau ir efektyviau apdoroti informaciją atliekant tokias užduotis kaip vaizdo atpažinimas. Tačiau juos sukurti nėra taip paprasta, tačiau Varšuvos universiteto Fizikos fakulteto ir Lenkijos mokslų akademijos mokslininkai turi sprendimą.
Ką pasiūlė mokslininkai?
Norėdami išspręsti problemą, mokslininkai kreipėsi įkvantinis skaičiavimas. Jie pasiūlė fotonus naudoti taip, kad juos būtų galima sukurti impulsiniais neuroniniais tinklais. Fotoninių sistemų pranašumas yra tas, kad jos užtikrina ryšį šviesos greičiu, mažu nuostoliu ir mažu energijos suvartojimu.
Fotonų pranašumas yra tasjų pasiskirstymas vyksta praktiškai neprarandant energijos. Deja, dėl to, kad jie sąveikauja gana silpnai, juos sunku panaudoti skaičiavimo operacijoms atlikti panašiai kaip elektronines sistemas.
Optinė mikroertmė kaip pulsuojantis neuronas.Vizualizacija: Mateuszas Krolis, šaltinis: Varšuvos universiteto Fizikos fakultetas). Kreditas: Mateuszas Krolis, šaltinis: Varšuvos universiteto Fizikos fakultetas
Mokslininkai pasiūlė sprendimą, kuriame fotonaistipriai sąveikauja su labai mažos masės dalelėmis – eksitonais. Ši stipri sąveika yra įmanoma, kai fotonai ir eksitonai yra įstrigę vadinamosiose optinėse mikroertmėse, todėl tarp jų kartojasi energijos mainai. Šio tipo sinergija, atsirandanti mikroertmėje tarp fotono ir eksitono, yra tokia stabili, kad fizikai ją vadina eksciziniu poliaritonu (arba trumpiau – polaritonu).
Poliaritonai turi unikalių savybių,ypač tam tikromis sąlygomis, jie gali turėti fazinį perėjimą į Bose G Einšteino kondensatą. Šioje būsenoje anksčiau nepriklausomi keli poliaritonai tampa neatskiriami.
Ką mokslininkai sugalvojo?
Remiantis naujausiu eksperimentu,Mokslininkai pastebėjo, kad kai polaritonai sužadinami lazerio impulsais, jie skleidžia šviesos impulsus tokiu būdu, kuris imituoja biologinių neuronų uždegimą. Šis poveikis yra tiesiogiai susijęs su Bose-Einstein kondensacijos reiškiniu, kuris slopina arba sustiprina impulsų emisiją.
Mokslininkai, sukūrę teorinius pagrindusderindama polaritonų tyrimus su neurono LIF modeliu (Leaky Integrate-and-Fire modelis), teigė, kad grupė dabar dirba siekdama išspręsti mastelio keitimo problemą – sujungti daugybę neuronų į tinklą.
Tyrimo autoriai siūlo naudotinauja skaičiavimo paradigma. Jis pagrįstas informacijos kodavimu impulsais, kurie paleidžia signalą tik tada, kai jis nuosekliai ir tinkamu laiku pasiekia neuroną.
Kaip tai veiks?
Šiuo metu naudojami neuroniniai tinklaitarpusavyje sujungtų neuronų sluoksniai, kurie skleidžia impulsus priklausomai nuo kiekvienam ryšiui priskiriamos svarbos (matematiniame aprašyme vadiname „svoriais“). Priešingai nei tokio tipo sprendimai, naujajame optiniame neuroniniame tinkle, aprašytame Laser and Photonics Review, neuronai užsidega (ty tampa aktyvūs) reaguodami į impulsų seką. Jie gali skirtis skirtingu intensyvumu ir skirtingais laiko intervalais.
en.freepik.com
Kaip ir biologiniųneuronų, kuriuos sužadina elektriniai impulsai, yra tam tikra riba, kurią viršijus ši impulsų seka, pasiekianti neuroną, sukelia signalą, kuris perduodamas toliau. Poliaritonai leidžia imituoti biologinę sistemą, nes tik stimuliuojant atitinkamu fotonų skaičiumi, viršijančiu tam tikrą slenkstį, susidaro Bose-Einstein kondensatas, o po to išspinduliuojamas trumpas pikosekundės blyksnis, kuris yra signalas kitam neuronui. .
Norėdami sukurti pavyzdį, kurį mokslininkainaudojami fotonams fiksuoti ir eksitoninių poliaritonų kondensatui stebėti, mokslininkai sluoksnis po sluoksnio išdėstė skirtingų tipų puslaidininkinių kristalų atomus. Jie panaudojo molekulinio pluošto epitaksiją, kad sukurtų fotoninio neurono prototipą. Norint pasiekti Bose-Einstein kondensato būseną, reikėjo 4 kelvinų (–269,15 °C) temperatūros.
Kas toliau?
Dabar mokslininkai planuoja pritaikyti eksperimentąkambario temperatūrai, kad būtų išvengta kriogeninių sąlygų. Reikia tirti naujas medžiagas, kurios leistų gauti Bose-Einstein kondensatų ir esant aukštai temperatūrai. Kad fotoniniai neuronai būtų sujungti į tinklus, jie turi sugebėti perduoti signalus vienas kitam. Idealiu atveju perdavimo kryptis, tai yra, prijungimo schema, turėtų būti lengvai keičiama pagal poreikį.
Mokslininkai vis dar susiduria su naujaisneuromorfinių sistemų tyrimų problemas. Nauja mokslininkų idėja atkurti biologinių neuronų smaigalius optiniame regione gali būti panaudota kuriant tinklą, o vėliau – neuromorfinę sistemą. Ji siunčia informaciją daug greičiau ir efektyviau, palyginti su esamais sprendimais.
Skaityti daugiau:
Archeologai oficialiai patvirtino Biblijos legendas
Paaiškėjo, kas nutinka kūno ląstelėms, kai miršta širdis
„Starlink“ signalas buvo nulaužtas, kad būtų naudojamas kaip GPS alternatyva