Wetenschappers van de Faculteit Natuurkunde van de Universiteit van Warschau en de Poolse Academie van Wetenschappen gebruikten fotonen om
Hoe werken de hersenen?
Het brein van zoogdieren is een van de meestcomplexe en effectieve systemen in de wereld. In de jaren negentig toonden neurowetenschappers aan dat één deel van de makakencortex in slechts 30 milliseconden visuele patronen kon analyseren en classificeren. Tegelijkertijd verzendt elk van de neuronen die bij dit proces betrokken zijn, minder dan drie berichten in de vorm van elektrische impulsen. Dit werd mogelijk gemaakt door het grote aantal synapsen (verbindingen tussen neuronen) in het neurale netwerk van de hersenen van makaken.
Het menselijk brein maakt deel uit van een nog krachtiger breinmechanisme. Het bestaat uit 100 miljard neuronen, die elk gemiddeld enkele duizenden verbindingen met andere zenuwcellen creëren. Zo ontstaat een neuraal netwerk van ongeveer 100 biljoen verbindingen. Dankzij hen kunnen onze hersenen tegelijkertijd bewegingen herkennen, redeneren en controleren. Het voert biljoenen handelingen per seconde uit terwijl het slechts 20-25 watt aan stroom verbruikt.
Wat is het probleem?
Ter vergelijking: conventionele processors verbruikentien keer meer energie om slechts duizend verschillende soorten objecten te herkennen. Dit opmerkelijke verschil en de uitzonderlijke hersenprestaties zijn onder meer te danken aan de biochemie van neuronen, de architectuur van neurale verbindingen en de biofysica van neurale computationele algoritmen.
De honger van de samenleving naar informatie is voortdurendgroeit, dus er is vraag naar een snelle en uitgebreide verwerking ervan. Conventionele computersystemen zijn niet in staat om te voldoen aan de groeiende vraag naar toenemende rekenkracht en tegelijkertijd de energie-efficiëntie te verbeteren. Maar er is een oplossing, zij het een moeilijke.
Wat te doen
De oplossing voor het probleem zijn neuromorfe apparaten.Hun werk is gebaseerd op de principes van het menselijk brein. Ze modelleren het werk van neuronen en hun processen (axonen en dendrieten), die verantwoordelijk zijn voor de overdracht en perceptie van gegevens. Verbindingen tussen neuronen worden gevormd door synapsen - speciale contacten waardoor elektrische signalen worden verzonden.
nl.freepik.com
Neuromorfe apparaten zijn de toekomstkunstmatige intelligentie, omdat ze een veel snellere en efficiëntere verwerking van informatie mogelijk maken bij taken zoals beeldherkenning. Maar het creëren ervan is niet zo eenvoudig, maar wetenschappers van de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau en de Poolse Academie van Wetenschappen hebben een oplossing.
Wat suggereerden de wetenschappers?
Om het probleem op te lossen, wendden wetenschappers zich totkwantumcomputers. Ze stelden voor om fotonen zo te gebruiken dat ze gecreëerd konden worden door gepulseerde neurale netwerken. Het voordeel van fotonische systemen is dat ze communicatie mogelijk maken met de snelheid van het licht, met weinig verlies en met een laag stroomverbruik.
Het voordeel van fotonen is dathun distributie vindt plaats met vrijwel geen energieverlies. Helaas zijn ze, vanwege het feit dat ze relatief zwak op elkaar inwerken, moeilijk te gebruiken om computerbewerkingen uit te voeren op een vergelijkbare manier als elektronische systemen.
Optische microholte als pulserend neuron.Visualisatie: Mateusz Krol, bron: Faculteit Natuurkunde, Universiteit van Warschau). Credit: Mateusz Krol, bron: Faculteit Natuurkunde, Universiteit van Warschau
Wetenschappers hebben een oplossing voorgesteld waarin fotonen voorkomenheeft een sterke interactie met deeltjes met een zeer lage massa - excitonen. Deze sterke interactie is mogelijk wanneer fotonen en excitonen samen worden opgesloten in zogenaamde optische microholtes, wat resulteert in een herhaalde uitwisseling van energie daartussen. Dit type synergie, dat optreedt in een microholte tussen een foton en een exciton, is zo stabiel dat natuurkundigen het een excisionele polariton (of kortweg polariton) noemen.
Polaritonen hebben unieke eigenschappen,vooral onder bepaalde omstandigheden kunnen ze een faseovergang naar een Bose G Einstein-condensaat vertonen. In deze toestand worden voorheen onafhankelijke meerdere polaritonen niet meer van elkaar te onderscheiden.
Wat hebben wetenschappers bedacht?
Gebaseerd op het laatste experiment,Wetenschappers hebben gemerkt dat wanneer polaritonen worden opgewonden door laserpulsen, ze lichtpulsen uitzenden op een manier die het afvuren van biologische neuronen nabootst. Dit effect houdt rechtstreeks verband met het fenomeen Bose-Einstein-condensatie, dat de emissie van pulsen onderdrukt of versterkt.
Wetenschappers die de theoretische grondslagen hebben ontwikkelddoor onderzoek naar polaritonen te combineren met het LIF-model van een neuron (Leaky Integrate-and-Fire-model), zei dat de groep nu werkt aan het oplossen van het probleem van schaalbaarheid - het verbinden van veel neuronen in een netwerk.
De auteurs van de studie stellen voor om te gebruikennieuw computerparadigma. Het is gebaseerd op de codering van informatie door impulsen die alleen een signaal activeren als het op het juiste moment opeenvolgend bij het neuron aankomt.
Hoe werkt het?
Momenteel worden neurale netwerken gebruiktlagen van onderling verbonden neuronen die impulsen afvuren, afhankelijk van het belang dat aan elke verbinding wordt toegekend (in de wiskundige beschrijving spreken we van ‘gewichten’). In tegenstelling tot dit soort oplossingen vuren (dat wil zeggen: ze worden actief) neuronen in het nieuwe optische neurale netwerk dat wordt beschreven in de Laser and Photonics Review als reactie op een reeks pulsen. Ze kunnen verschillen in verschillende intensiteiten en verschillende tijdsintervallen.
nl.freepik.com
Zoals in het geval van biologischneuronen die worden opgewonden door elektrische impulsen, is er een bepaalde drempel waarboven deze reeks impulsen die het neuron bereiken een signaal activeert dat verder wordt verzonden. Polaritonen maken het mogelijk een biologisch systeem na te bootsen, omdat alleen stimulatie met het juiste aantal fotonen boven een bepaalde drempel resulteert in de vorming van een Bose-Einstein-condensaat en vervolgens de emissie van een korte picosecondeflits, wat een signaal is voor het volgende neuron .
Om een monster te maken dat wetenschappersgebruikt om fotonen op te vangen en een condensaat van excitonische polaritonen te observeren, rangschikten de wetenschappers de atomen van verschillende soorten halfgeleiderkristallen laag voor laag. Ze gebruikten moleculaire bundelepitaxie om een prototype van een fotonisch neuron te creëren. Om de Bose-Einstein-condensaattoestand te bereiken was een temperatuur van 4 Kelvin (–269,15 °C) vereist.
Wat is de volgende stap?
Nu zijn wetenschappers van plan het experiment aan te passenvoor kamertemperatuur om cryogene omstandigheden te voorkomen. Er is onderzoek nodig naar nieuwe materialen die het mogelijk maken om ook bij hoge temperaturen Bose-Einstein-condensaten te verkrijgen. Om fotonische neuronen tot netwerken te kunnen combineren, moeten ze signalen naar elkaar kunnen overbrengen. Idealiter zou de transmissierichting, dat wil zeggen het aansluitschema, indien nodig eenvoudig kunnen worden gewijzigd.
Wetenschappers komen nog steeds nieuwe tegenproblemen bij hun onderzoek naar neuromorfe systemen. Het nieuwe idee van wetenschappers om de pieken van biologische neuronen in het optische gebied na te bootsen kan worden gebruikt om een netwerk en vervolgens een neuromorf systeem te creëren. Het verzendt informatie-ordes van grootte sneller en op een energie-efficiëntere manier vergeleken met bestaande oplossingen.
Lees verder:
Archeologen hebben de legendes uit de Bijbel officieel bevestigd
Het bleek wat er met de cellen van het lichaam gebeurt als het hart sterft
Starlink-signaal gehackt om te worden gebruikt als alternatief voor GPS