Cientistas da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia e da Academia Polonesa de Ciências usaram fótons para
Como é que o cérebro funciona?
O cérebro dos mamíferos é um dos maissistemas complexos e eficazes no mundo. Na década de 1990, neurocientistas demonstraram que uma área do córtex dos macacos era capaz de analisar e classificar padrões visuais em apenas 30 milissegundos. Ao mesmo tempo, cada um dos neurônios envolvidos nesse processo envia menos de três mensagens na forma de impulsos elétricos. Isto foi possível devido ao grande número de sinapses – conexões entre neurônios – na rede neural do cérebro do macaco.
O cérebro humano faz parte de um sistema ainda mais poderosomecanismo. Consiste em 100 bilhões de neurônios, cada um dos quais cria, em média, vários milhares de conexões com outras células nervosas. É assim que surge uma rede neural de aproximadamente 100 trilhões de conexões. Graças a eles, nosso cérebro é capaz de reconhecer, raciocinar e controlar simultaneamente o movimento. Ele executa trilhões de operações por segundo enquanto consome apenas 20 a 25 watts de energia.
Qual é o problema?
Em comparação, os processadores convencionais consomemdez vezes mais energia para reconhecer apenas mil tipos diferentes de objetos. Essa diferença notável e desempenho cerebral excepcional se devem, entre outras coisas, à bioquímica dos neurônios, à arquitetura das conexões neurais e à biofísica dos algoritmos computacionais neurais.
O apetite da sociedade por informação é constantementeestá crescendo, por isso há uma solicitação para seu processamento rápido e abrangente. Os sistemas de computação convencionais são incapazes de atender à crescente demanda por crescente poder de computação e, ao mesmo tempo, melhorar a eficiência energética. Mas há uma solução, embora difícil.
O que fazer
A solução para o problema são os dispositivos neuromórficos.Seu trabalho é baseado nos princípios do cérebro humano. Eles modelam o trabalho dos neurônios e seus processos (axônios e dendritos), que são responsáveis pela transmissão e percepção dos dados. As conexões entre os neurônios são formadas devido às sinapses - contatos especiais através dos quais os sinais elétricos são transmitidos.
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Dispositivos neuromórficos são o futurointeligência artificial, pois permitem um processamento de informações muito mais rápido e eficiente em tarefas como reconhecimento de imagens. Mas criá-los não é tão fácil, mas os cientistas da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia e da Academia Polaca de Ciências têm uma solução.
O que os cientistas sugeriram?
Para resolver o problema, os cientistas recorreramcomputação quântica. Eles propuseram o uso de fótons de forma que pudessem ser criados por redes neurais pulsadas. A vantagem dos sistemas fotônicos é que eles proporcionam comunicação na velocidade da luz, baixas perdas e baixo consumo de energia.
A vantagem dos fótons é quesua distribuição ocorre praticamente sem perda de energia. Infelizmente, devido ao fato de interagirem de forma relativamente fraca, são difíceis de usar para realizar operações computacionais de maneira semelhante aos sistemas eletrônicos.
Microcavidade óptica como um neurônio pulsante.Visualização: Mateusz Krol, fonte: Faculdade de Física, Universidade de Varsóvia). Crédito: Mateusz Krol, fonte: Faculdade de Física, Universidade de Varsóvia.
Os cientistas propuseram uma solução na qual os fótonsinteragem fortemente com partículas de massa muito baixa - excitons. Esta forte interação é possível quando fótons e excitons ficam presos juntos nas chamadas microcavidades ópticas, resultando em uma troca repetida de energia entre eles. Esse tipo de sinergia, que ocorre em uma microcavidade entre um fóton e um exciton, é tão estável que os físicos o chamam de polariton excisional (ou polariton, para abreviar).
Polaritons têm propriedades únicas,especialmente sob certas condições, eles podem exibir uma transição de fase para um condensado de Bose G Einstein. Neste estado, múltiplas polaritons anteriormente independentes tornam-se indistinguíveis.
O que os cientistas inventaram?
Com base na experiência mais recente,Os cientistas notaram que quando os polaritons são excitados por pulsos de laser, eles emitem pulsos de luz de uma forma que imita o disparo de neurônios biológicos. Este efeito está diretamente relacionado ao fenômeno da condensação de Bose-Einstein, que suprime ou potencializa a emissão de pulsos.
Cientistas que desenvolveram os fundamentos teóricoscombinando pesquisas sobre polaritons com o modelo LIF de um neurônio (modelo Leaky Integrate-and-Fire), disse que o grupo agora está trabalhando para resolver o problema de escalabilidade - conectando muitos neurônios em uma rede.
Os autores do estudo sugerem usarnovo paradigma computacional. Baseia-se na codificação da informação por impulsos que acionam um sinal somente quando ele chega sequencialmente ao neurônio no momento certo.
Como vai funcionar?
Atualmente, as redes neurais usamcamadas de neurônios interligados que disparam impulsos dependendo da importância atribuída a cada conexão (na descrição matemática nos referimos a “pesos”). Em contraste com este tipo de solução, na nova rede neural óptica descrita na Laser and Photonics Review, os neurônios disparam (ou seja, tornam-se ativos) em resposta a uma sequência de pulsos. Eles podem diferir em diferentes intensidades e diferentes intervalos de tempo.
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Como no caso da biologianeurônios que são excitados por impulsos elétricos, existe um certo limite acima do qual essa sequência de impulsos que atinge o neurônio aciona um sinal que é transmitido posteriormente. Os polaritons tornam possível imitar um sistema biológico porque somente a estimulação com o número apropriado de fótons acima de um certo limite resulta na formação de um condensado de Bose-Einstein e, em seguida, na emissão de um curto flash de picossegundos, que é um sinal para o próximo neurônio. .
Para criar uma amostra que os cientistasusado para capturar fótons e observar um condensado de polaritons excitônicos, os cientistas organizaram os átomos de diferentes tipos de cristais semicondutores, camada por camada. Eles usaram epitaxia por feixe molecular para criar um protótipo de neurônio fotônico. Para atingir o estado condensado de Bose-Einstein, foi necessária uma temperatura de 4 Kelvin (–269,15 °C).
O que vem a seguir?
Agora os cientistas estão planejando adaptar o experimentopara temperatura ambiente para evitar condições criogênicas. É necessária investigação de novos materiais que permitam a obtenção de condensados de Bose-Einstein também a altas temperaturas. Para que os neurônios fotônicos sejam combinados em redes, eles devem ser capazes de transmitir sinais entre si. Idealmente, a direção da transmissão, ou seja, o diagrama de conexão, deve ser facilmente alterada conforme necessário.
Os cientistas ainda estão encontrando novosproblemas em sua pesquisa de sistemas neuromórficos. A nova ideia dos cientistas de recriar os picos de neurônios biológicos na região óptica pode ser usada para criar uma rede e depois um sistema neuromórfico. Ele envia informações de ordens de grandeza com mais rapidez e eficiência energética em comparação com as soluções existentes.
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