Forskere fra fakultetet for fysikk ved universitetet i Warszawa og det polske vitenskapsakademiet brukte fotoner til å
Hvordan fungerer hjernen?
Pattedyrhjernen er en av de mestkomplekse og effektive systemer i verden. På 1990-tallet viste nevrovitenskapsmenn at ett område av macaque cortex var i stand til å analysere og klassifisere visuelle mønstre på bare 30 millisekunder. Samtidig sender hver av nevronene som er involvert i denne prosessen mindre enn tre meldinger i form av elektriske impulser. Dette ble gjort mulig på grunn av det store antallet synapser - forbindelser mellom nevroner - i det nevrale nettverket til makakhjernen.
Den menneskelige hjernen er en del av en enda kraftigeremekanisme. Den består av 100 milliarder nevroner, som hver skaper i gjennomsnitt flere tusen forbindelser med andre nerveceller. Slik fremstår et nevralt nettverk med omtrent 100 billioner forbindelser. Takket være dem er hjernen vår i stand til å gjenkjenne, resonnere og kontrollere bevegelser samtidig. Den utfører billioner av operasjoner per sekund mens den bare bruker 20-25 watt strøm.
Hva er problemet?
Til sammenligning forbruker konvensjonelle prosessorerti ganger mer energi til å gjenkjenne bare tusen forskjellige typer objekter. Denne bemerkelsesverdige forskjellen og eksepsjonelle hjerneytelsen skyldes blant annet biokjemien til nevroner, arkitekturen til nevrale forbindelser og biofysikken til nevrale beregningsalgoritmer.
Samfunnets appetitt på informasjon er konstantvokser, så det er en forespørsel om rask og omfattende behandling. Konvensjonelle datasystemer er ikke i stand til å møte den økende etterspørselen etter å øke datakraften og samtidig forbedre energieffektiviteten. Men det finnes en løsning, om enn vanskelig.
Hva å gjøre
Løsningen på problemet er nevromorfe enheter.Arbeidet deres er basert på prinsippene til den menneskelige hjernen. De modellerer arbeidet til nevroner og deres prosesser (aksoner og dendritter), som er ansvarlige for overføring og oppfatning av data. Forbindelser mellom nevroner dannes på grunn av synapser - spesielle kontakter som elektriske signaler overføres gjennom.
no.freepik.com
Nevromorfe enheter er fremtidenkunstig intelligens, da de tillater mye raskere og mer effektiv behandling av informasjon i oppgaver som bildegjenkjenning. Men å lage dem er ikke så lett, men forskere fra fakultetet for fysikk ved Universitetet i Warszawa og det polske vitenskapsakademiet har en løsning.
Hva foreslo forskerne?
For å løse problemet henvendte forskerne seg tilkvanteberegning. De foreslo å bruke fotoner på en slik måte at de kunne lages av pulserende nevrale nettverk. Fordelen med fotoniske systemer er at de gir kommunikasjon med lysets hastighet, lavt tap og lavt strømforbruk.
Fordelen med fotoner er detderes distribusjon skjer med praktisk talt ingen energitap. Dessverre, på grunn av det faktum at de samhandler relativt svakt, er de vanskelige å bruke til å utføre beregningsoperasjoner på lignende måte som elektroniske systemer.
Optisk mikrohulrom som et pulserende nevron.Visualisering: Mateusz Krol, kilde: Fysisk fakultet, Universitetet i Warszawa). Kreditt: Mateusz Krol, kilde: Fysisk fakultet, Universitetet i Warszawa
Forskere har foreslått en løsning der fotonerinteragerer sterkt med partikler med svært lav masse - eksitoner. Denne sterke interaksjonen er mulig når fotoner og eksitoner fanges sammen i såkalte optiske mikrohulrom, noe som resulterer i en gjentatt utveksling av energi mellom dem. Denne typen synergi, som oppstår i et mikrohulrom mellom et foton og en eksiton, er så stabil at fysikere kaller det en eksisjonspolariton (eller polariton for kort).
Polaritoner har unike egenskaper,spesielt under visse forhold kan de vise en faseovergang til et Bose G Einstein-kondensat. I denne tilstanden blir tidligere uavhengige multiple polaritoner umulig å skille.
Hva kom forskere med?
Basert på det siste eksperimentet,Forskere har lagt merke til at når polaritoner blir opphisset av laserpulser, sender de ut lyspulser på en måte som etterligner avfyringen av biologiske nevroner. Denne effekten er direkte relatert til fenomenet Bose-Einstein-kondensering, som enten undertrykker eller forsterker emisjonen av pulser.
Forskere som utviklet det teoretiske grunnlagetved å kombinere forskning på polaritoner med LIF-modellen av et nevron (Leaky Integrate-and-Fire-modellen), sa at gruppen nå jobber med å løse problemet med skalerbarhet - å koble mange nevroner inn i et nettverk.
Forfatterne av studien foreslår å brukenytt dataparadigme. Den er basert på koding av informasjon ved impulser som utløser et signal bare når det kommer til nevronet sekvensielt til rett tid.
Hvordan vil det fungere?
For tiden bruker nevrale nettverklag av sammenkoblede nevroner som avfyrer impulser avhengig av betydningen som tildeles hver forbindelse (i den matematiske beskrivelsen refererer vi til "vekter"). I motsetning til denne typen løsninger, i det nye optiske nevrale nettverket beskrevet i Laser and Photonics Review, avfyrer nevroner (dvs. blir aktive) som svar på en sekvens av pulser. De kan variere i forskjellige intensiteter og forskjellige tidsintervaller.
no.freepik.com
Som i tilfellet med biologisknevroner som er opphisset av elektriske impulser, er det en viss terskel over hvilken denne sekvensen av impulser som når nevronet utløser et signal som overføres videre. Polaritoner gjør det mulig å etterligne et biologisk system fordi bare stimulering med passende antall fotoner over en viss terskel resulterer i dannelsen av et Bose-Einstein-kondensat og deretter emisjonen av en kort picosekund-blits, som er et signal til neste nevron .
For å lage en prøve som forskerebrukt til å fange fotoner og observere et kondensat av eksitoniske polaritoner, arrangerte forskerne atomene til forskjellige typer halvlederkrystaller lag for lag. De brukte molekylær stråleepitaksi for å lage en prototype fotonisk nevron. For å oppnå Bose-Einstein-kondensattilstanden var det nødvendig med en temperatur på 4 Kelvin (–269,15 °C).
Hva er neste?
Nå planlegger forskere å tilpasse eksperimentetfor romtemperatur for å unngå kryogene forhold. Det trengs forskning på nye materialer som vil gjøre det mulig å skaffe Bose-Einstein-kondensater også ved høye temperaturer. For at fotoniske nevroner skal kunne kombineres til nettverk, må de kunne overføre signaler til hverandre. Ideelt sett bør overføringsretningen, det vil si koblingsskjemaet, enkelt endres etter behov.
Forskere møter stadig nyeproblemer i deres forskning av nevromorfe systemer. Forskeres nye idé om å gjenskape toppene til biologiske nevroner i den optiske regionen kan brukes til å lage et nettverk og deretter et nevromorfisk system. Den sender informasjon i størrelsesordener raskere og på en mer energieffektiv måte sammenlignet med eksisterende løsninger.
Les mer:
Arkeologer har offisielt bekreftet legendene fra Bibelen
Det viste seg hva som skjer med cellene i kroppen når hjertet dør
Starlink-signal hacket for å brukes som et alternativ til GPS