Oamenii de știință de la Facultatea de Fizică a Universității din Varșovia și de la Academia Poloneză de Științe au folosit fotoni pentru a
Cum funcționează creierul?
Creierul mamiferelor este unul dintre cele mai multesisteme complexe și eficiente din lume. În anii 1990, oamenii de știință au arătat că o zonă a cortexului macac era capabilă să analizeze și să clasifice modelele vizuale în doar 30 de milisecunde. În același timp, fiecare dintre neuronii implicați în acest proces trimite mai puțin de trei mesaje sub formă de impulsuri electrice. Acest lucru a fost posibil datorită numărului mare de sinapse - conexiuni între neuroni - din rețeaua neuronală a creierului macacului.
Creierul uman face parte dintr-un și mai puternicmecanism. Este format din 100 de miliarde de neuroni, fiecare dintre acestea creând, în medie, câteva mii de conexiuni cu alte celule nervoase. Așa apare o rețea neuronală de aproximativ 100 de trilioane de conexiuni. Datorită acestora, creierul nostru este capabil să recunoască, să raționeze și să controleze simultan mișcarea. Efectuează trilioane de operații pe secundă în timp ce consumă doar 20-25 de wați de putere.
Care este problema?
În comparație, procesoarele convenționale consumăde zece ori mai multă energie pentru a recunoaște doar o mie de tipuri diferite de obiecte. Această diferență remarcabilă și performanța excepțională a creierului se datorează, printre altele, biochimiei neuronilor, arhitecturii conexiunilor neuronale și biofizicii algoritmilor computaționali neuronali.
Apetitul societății pentru informație este constanteste în creștere, deci există o cerere pentru procesarea sa rapidă și cuprinzătoare. Sistemele de calcul convenționale nu sunt capabile să răspundă cererii tot mai mari de creștere a puterii de calcul, îmbunătățind simultan eficiența energetică. Dar există o soluție, deși dificilă.
Ce să faci
Soluția problemei sunt dispozitivele neuromorfe.Munca lor se bazează pe principiile creierului uman. Ei modelează activitatea neuronilor și procesele lor (axoni și dendrite), care sunt responsabile pentru transmiterea și percepția datelor. Conexiunile dintre neuroni se formează datorită sinapselor – contacte speciale prin care sunt transmise semnale electrice.
ro.freepik.com
Dispozitivele neuromorfe sunt viitorulinteligența artificială, deoarece permit o procesare mult mai rapidă și mai eficientă a informațiilor în sarcini precum recunoașterea imaginilor. Dar crearea acestora nu este atât de ușoară, dar oamenii de știință de la Facultatea de Fizică a Universității din Varșovia și de la Academia Poloneză de Științe au o soluție.
Ce au sugerat oamenii de știință?
Pentru a rezolva problema, oamenii de știință au apelat lacalculul cuantic. Ei au propus utilizarea fotonilor în așa fel încât să poată fi creați de rețele neuronale pulsate. Avantajul sistemelor fotonice este că oferă comunicare cu viteza luminii, pierderi reduse și consum redus de energie.
Avantajul fotonilor este cădistribuția lor are loc practic fără pierderi de energie. Din păcate, datorită faptului că interacționează relativ slab, sunt dificil de utilizat pentru a efectua operații de calcul într-un mod similar cu sistemele electronice.
Microcavitatea optică ca neuron pulsatoriu.Vizualizare: Mateusz Krol, sursa: Facultatea de Fizică, Universitatea din Varșovia). Credit: Mateusz Krol, sursa: Facultatea de Fizică, Universitatea din Varșovia.
Oamenii de știință au propus o soluție în care fotoniiinteracționează puternic cu particule de masă foarte mică - excitoni. Această interacțiune puternică este posibilă atunci când fotonii și excitonii sunt prinși împreună în așa-numitele microcavități optice, rezultând un schimb repetat de energie între ei. Acest tip de sinergie, care are loc într-o microcavitate între un foton și un exciton, este atât de stabil încât fizicienii îl numesc polariton de excizie (sau polariton pe scurt).
Polaritonii au proprietăți unice,mai ales în anumite condiții, ele pot prezenta o tranziție de fază într-un condensat Bose G Einstein. În această stare, polaritonii multipli independenți anterior devin imposibil de distins.
Cu ce au apărut oamenii de știință?
Pe baza celui mai recent experiment,Oamenii de știință au observat că atunci când polaritonii sunt excitați de impulsuri laser, ei emit impulsuri de lumină într-un mod care imită declanșarea neuronilor biologici. Acest efect este direct legat de fenomenul de condensare Bose-Einstein, care fie suprimă, fie sporește emisia de impulsuri.
Oamenii de știință care au dezvoltat bazele teoreticecombinând cercetările asupra polaritonilor cu modelul LIF al unui neuron (modelul Leaky Integrate-and-Fire), a spus că grupul lucrează acum la rezolvarea problemei scalabilității - conectarea multor neuroni într-o rețea.
Autorii studiului sugerează utilizareanoua paradigmă de calcul. Se bazează pe codificarea informațiilor prin impulsuri care declanșează un semnal doar atunci când acesta ajunge secvenţial la neuron la momentul potrivit.
Cum va funcționa?
În prezent, rețelele neuronale folosescstraturi de neuroni interconectați care declanșează impulsuri în funcție de importanța atribuită fiecărei conexiuni (în descrierea matematică ne referim la „greutăți”). Spre deosebire de acest tip de soluție, în noua rețea neuronală optică descrisă în Laser and Photonics Review, neuronii se declanșează (adică devin activi) ca răspuns la o secvență de impulsuri. Ele pot diferi în diferite intensități și diferite intervale de timp.
ro.freepik.com
Ca și în cazul biologicneuronii care sunt excitați de impulsuri electrice, există un anumit prag peste care această secvență de impulsuri care ajung la neuron declanșează un semnal care este transmis mai departe. Polaritonii fac posibilă imitarea unui sistem biologic, deoarece numai stimularea cu un număr adecvat de fotoni peste un anumit prag are ca rezultat formarea unui condensat Bose-Einstein și apoi emisia unui flash scurt de picosecundă, care este un semnal către următorul neuron. .
Pentru a crea un eșantion pe care oamenii de științăfolosit pentru a captura fotoni și a observa un condensat de polaritoni excitonici, oamenii de știință au aranjat atomii diferitelor tipuri de cristale semiconductoare strat cu strat. Ei au folosit epitaxia fasciculului molecular pentru a crea un neuron fotonic prototip. Pentru a obține starea de condensare Bose-Einstein, a fost necesară o temperatură de 4 Kelvin (-269,15 ° C).
Ce urmează?
Acum oamenii de știință plănuiesc să adapteze experimentulpentru temperatura camerei pentru a evita condițiile criogenice. Este nevoie de cercetare pentru noi materiale care să facă posibilă obținerea de condens Bose-Einstein și la temperaturi ridicate. Pentru ca neuronii fotonici să fie combinați în rețele, aceștia trebuie să poată transmite semnale unul altuia. În mod ideal, direcția de transmisie, adică schema de conexiune, ar trebui schimbată cu ușurință după cum este necesar.
Oamenii de știință încă întâlnesc noiprobleme în cercetarea lor asupra sistemelor neuromorfe. Noua idee a oamenilor de știință de a recrea vârfurile neuronilor biologici din regiunea optică poate fi folosită pentru a crea o rețea și apoi un sistem neuromorf. Trimite informații de ordine de mărime mai rapid și într-un mod mai eficient din punct de vedere energetic în comparație cu soluțiile existente.
Citeste mai mult:
Arheologii au confirmat oficial legendele din Biblie
S-a dovedit ce se întâmplă cu celulele corpului când inima moare
Semnalul Starlink piratat pentru a fi folosit ca alternativă la GPS