Zinātnieki no Varšavas Universitātes Fizikas fakultātes un Polijas Zinātņu akadēmijas izmantoja fotonus, lai
Kā darbojas smadzenes?
Zīdītāju smadzenes ir viena no visvairāksarežģītas un efektīvas sistēmas pasaulē. Deviņdesmitajos gados neirozinātnieki parādīja, ka viena makaka garozas zona spēj analizēt un klasificēt vizuālos modeļus tikai 30 milisekundēs. Tajā pašā laikā katrs no šajā procesā iesaistītajiem neironiem nosūta mazāk nekā trīs ziņojumus elektrisko impulsu veidā. Tas bija iespējams, pateicoties lielajam sinapšu skaitam - savienojumu starp neironiem - makaka smadzeņu neironu tīklā.
Cilvēka smadzenes ir daļa no vēl spēcīgākamehānisms. Tas sastāv no 100 miljardiem neironu, no kuriem katrs rada vidēji vairākus tūkstošus savienojumu ar citām nervu šūnām. Šādi parādās neironu tīkls ar aptuveni 100 triljoniem savienojumu. Pateicoties viņiem, mūsu smadzenes spēj vienlaikus atpazīt, spriest un kontrolēt kustības. Tas veic triljoniem darbību sekundē, vienlaikus patērējot tikai 20-25 vatus.
Kāda ir problēma?
Salīdzinājumam, parastie procesori patērēdesmit reizes vairāk enerģijas, lai atpazītu tikai tūkstoš dažādu veidu objektus. Šī ievērojamā atšķirība un izcilā smadzeņu veiktspēja cita starpā ir saistīta ar neironu bioķīmiju, neironu savienojumu arhitektūru un neironu skaitļošanas algoritmu biofiziku.
Sabiedrības tieksme pēc informācijas ir nepārtrauktapieaug, tāpēc ir pieprasījums pēc tās ātras un visaptverošas apstrādes. Parastās skaitļošanas sistēmas nespēj apmierināt pieaugošo pieprasījumu pēc skaitļošanas jaudas palielināšanas, vienlaikus uzlabojot energoefektivitāti. Bet ir risinājums, kaut arī sarežģīts.
Ko darīt
Problēmas risinājums ir neiromorfās ierīces.Viņu darbs ir balstīts uz cilvēka smadzeņu darbības principiem. Tie modelē neironu darbu un to procesus (aksonus un dendrītus), kas ir atbildīgi par datu pārraidi un uztveri. Savienojumi starp neironiem veidojas, pateicoties sinapsēm – īpašiem kontaktiem, caur kuriem tiek pārraidīti elektriskie signāli.
en.freepik.com
Nākotne ir neiromorfās ierīcesmākslīgais intelekts, jo tie ļauj daudz ātrāk un efektīvāk apstrādāt informāciju tādos uzdevumos kā attēlu atpazīšana. Taču to izveide nav tik vienkārša, taču Varšavas Universitātes Fizikas fakultātes un Polijas Zinātņu akadēmijas zinātniekiem ir risinājums.
Ko ieteica zinātnieki?
Lai atrisinātu problēmu, zinātnieki vērsās piekvantu skaitļošana. Viņi ierosināja izmantot fotonus tādā veidā, lai tos varētu izveidot ar impulsu neironu tīkliem. Fotonisko sistēmu priekšrocība ir tā, ka tās nodrošina saziņu ar gaismas ātrumu, zemu zudumu un zemu enerģijas patēriņu.
Fotonu priekšrocība ir tāto sadale notiek praktiski bez enerģijas zudumiem. Diemžēl, ņemot vērā to, ka tie mijiedarbojas salīdzinoši vāji, tos ir grūti izmantot, lai veiktu skaitļošanas darbības līdzīgi kā elektroniskajām sistēmām.
Optiskais mikrodobums kā pulsējošs neirons.Vizualizācija: Mateušs Krols, avots: Varšavas Universitātes Fizikas fakultāte). Kredīti: Mateušs Krols, avots: Varšavas Universitātes Fizikas fakultāte
Zinātnieki ir ierosinājuši risinājumu, kurā fotonispēcīgi mijiedarbojas ar ļoti mazas masas daļiņām – eksitoniem. Šī spēcīgā mijiedarbība ir iespējama, kad fotoni un eksitoni tiek iesprostoti kopā tā sauktajos optiskajos mikrodobumos, kā rezultātā starp tiem notiek atkārtota enerģijas apmaiņa. Šāda veida sinerģija, kas rodas mikrodobumā starp fotonu un eksitonu, ir tik stabila, ka fiziķi to sauc par ekscīzijas polaritonu (vai saīsināti polaritonu).
Polaritoniem ir unikālas īpašības,jo īpaši noteiktos apstākļos, tiem var būt fāzes pāreja Bose G Einšteina kondensātā. Šajā stāvoklī iepriekš neatkarīgi vairāki polaritoni kļūst neatšķirami.
Ar ko zinātnieki nāca klajā?
Pamatojoties uz jaunāko eksperimentu,Zinātnieki ir pamanījuši, ka tad, kad polaritoni tiek ierosināti ar lāzera impulsiem, tie izstaro gaismas impulsus tādā veidā, kas atdarina bioloģisko neironu aizdegšanos. Šis efekts ir tieši saistīts ar Bozes-Einšteina kondensācijas fenomenu, kas vai nu nomāc, vai pastiprina impulsu emisiju.
Zinātnieki, kas izstrādāja teorētiskos pamatusapvienojot pētījumus par polaritoniem ar neirona LIF modeli (Leaky Integrate-and-Fire modelis), teica, ka grupa tagad strādā pie mērogojamības problēmas risināšanas - daudzu neironu savienošanas tīklā.
Pētījuma autori iesaka izmantotjauna skaitļošanas paradigma. Tas ir balstīts uz informācijas kodēšanu ar impulsiem, kas iedarbina signālu tikai tad, kad tas secīgi nonāk neironā pareizajā laikā.
Kā tas darbosies?
Pašlaik tiek izmantoti neironu tīklisavstarpēji savienotu neironu slāņi, kas izšauj impulsus atkarībā no katram savienojumam piešķirtās nozīmes (matemātiskajā aprakstā mēs apzīmējam “svarus”). Atšķirībā no šāda veida risinājumiem jaunajā optiskajā neironu tīklā, kas aprakstīts Laser and Photonics Review, neironi aizdegas (t.i., kļūst aktīvi), reaģējot uz impulsu secību. Tās var atšķirties dažādās intensitātēs un dažādos laika intervālos.
en.freepik.com
Tāpat kā ar bioloģiskoneironiem, kurus ierosina elektriskie impulsi, ir noteikts slieksnis, virs kura šī impulsu secība, kas sasniedz neironu, izraisa signālu, kas tiek pārraidīts tālāk. Polaritoni ļauj atdarināt bioloģisko sistēmu, jo tikai stimulācija ar atbilstošu fotonu skaitu, kas pārsniedz noteiktu slieksni, izraisa Bozes-Einšteina kondensāta veidošanos un pēc tam īsas pikosekundes zibspuldzes emisiju, kas ir signāls nākamajam neironam. .
Lai izveidotu paraugu, ka zinātniekiko izmantoja fotonu uztveršanai un eksitonu polaritonu kondensāta novērošanai, zinātnieki slāni pa slānim sakārtoja dažāda veida pusvadītāju kristālu atomus. Viņi izmantoja molekulāro staru epitaksiju, lai izveidotu fotoniskā neirona prototipu. Lai sasniegtu Bozes-Einšteina kondensāta stāvokli, bija nepieciešama 4 Kelvina (–269,15 °C) temperatūra.
Kas tālāk?
Tagad zinātnieki plāno eksperimentu pielāgotistabas temperatūrai, lai izvairītos no kriogēniem apstākļiem. Nepieciešama jaunu materiālu izpēte, kas ļaus iegūt Bozes-Einšteina kondensātus arī augstā temperatūrā. Lai fotoniskie neironi tiktu apvienoti tīklos, tiem jāspēj pārraidīt signālus viens otram. Ideālā gadījumā pārraides virzienu, tas ir, savienojuma shēmu, vajadzētu viegli mainīt pēc vajadzības.
Zinātnieki joprojām saskaras ar jauniemproblēmas viņu neiromorfo sistēmu izpētē. Zinātnieku jauno ideju atjaunot bioloģisko neironu tapas optiskajā reģionā var izmantot, lai izveidotu tīklu un pēc tam neiromorfisku sistēmu. Salīdzinot ar esošajiem risinājumiem, tā nosūta informāciju par lielumu kārtām ātrāk un energoefektīvākā veidā.
Lasīt vairāk:
Arheologi ir oficiāli apstiprinājuši Bībeles leģendas
Izrādījās, kas notiek ar ķermeņa šūnām, kad mirst sirds
Starlink signāls ir uzlauzts, lai to izmantotu kā alternatīvu GPS