Vedci z Fyzikálnej fakulty Varšavskej univerzity a Poľskej akadémie vied použili fotóny na
Ako funguje mozog?
Mozog cicavcov je jedným z najviackomplexné a efektívne systémy vo svete. V deväťdesiatych rokoch minulého storočia neurovedci ukázali, že jedna oblasť kôry makaka bola schopná analyzovať a klasifikovať vizuálne vzorce len za 30 milisekúnd. Zároveň každý z neurónov zapojených do tohto procesu vysiela menej ako tri správy vo forme elektrických impulzov. Bolo to možné vďaka veľkému počtu synapsií – spojení medzi neurónmi – v neurónovej sieti mozgu makaka.
Ľudský mozog je súčasťou ešte výkonnejšiehomechanizmus. Pozostáva zo 100 miliárd neurónov, z ktorých každý vytvára v priemere niekoľko tisíc spojení s inými nervovými bunkami. Takto sa objavuje neurónová sieť s približne 100 biliónmi spojení. Vďaka nim je náš mozog schopný súčasne rozpoznávať, zdôvodňovať a kontrolovať pohyb. Vykonáva bilióny operácií za sekundu, pričom spotrebuje iba 20-25 wattov energie.
Aký je problém?
Na porovnanie, bežné procesory spotrebujúdesaťkrát viac energie na rozpoznanie len tisíc rôznych typov predmetov. Tento pozoruhodný rozdiel a výnimočný výkon mozgu je spôsobený okrem iného biochémiou neurónov, architektúrou nervových spojení a biofyzikou neurálnych výpočtových algoritmov.
Apetít spoločnosti po informáciách je neustályrastie, preto je požiadavka na jeho rýchle a komplexné spracovanie. Bežné výpočtové systémy nie sú schopné uspokojiť rastúci dopyt po zvyšovaní výpočtového výkonu pri súčasnom zlepšovaní energetickej účinnosti. Existuje však riešenie, aj keď ťažké.
Čo robiť
Riešením problému sú neuromorfné zariadenia.Ich práca je založená na princípoch ľudského mozgu. Modelujú prácu neurónov a ich procesy (axóny a dendrity), ktoré sú zodpovedné za prenos a vnímanie údajov. Spojenia medzi neurónmi sa vytvárajú vďaka synapsiám - špeciálnym kontaktom, cez ktoré sa prenášajú elektrické signály.
sk.freepik.com
Neuromorfné zariadenia sú budúcnosťumelá inteligencia, pretože umožňujú oveľa rýchlejšie a efektívnejšie spracovanie informácií v úlohách, ako je rozpoznávanie obrázkov. Ich vytvorenie ale nie je také jednoduché, no vedci z Fyzikálnej fakulty Varšavskej univerzity a Poľskej akadémie vied majú riešenie.
Čo navrhli vedci?
Na vyriešenie problému sa vedci obrátili nakvantové výpočty. Navrhli použiť fotóny takým spôsobom, aby ich mohli vytvárať pulzné neurónové siete. Výhodou fotonických systémov je, že poskytujú komunikáciu rýchlosťou svetla, nízke straty a nízku spotrebu energie.
Výhodou fotónov je toich distribúcia prebieha prakticky bez straty energie. Bohužiaľ, vzhľadom na to, že interagujú pomerne slabo, je ťažké ich použiť na vykonávanie výpočtových operácií podobným spôsobom ako elektronické systémy.
Optická mikrodutina ako pulzujúci neurón.Vizualizácia: Mateusz Krol, zdroj: Fyzikálna fakulta Varšavskej univerzity). Poďakovanie: Mateusz Krol, zdroj: Fyzikálna fakulta Varšavskej univerzity
Vedci navrhli riešenie, v ktorom fotónysilne interagujú s časticami s veľmi nízkou hmotnosťou - excitónmi. Táto silná interakcia je možná, keď sú fotóny a excitóny spolu zachytené v takzvaných optických mikrodutinách, čo vedie k opakovanej výmene energie medzi nimi. Tento typ synergie, ktorý sa vyskytuje v mikrodutine medzi fotónom a excitónom, je taký stabilný, že ho fyzici nazývajú excízny polaritón (alebo skrátene polaritón).
Polaritóny majú jedinečné vlastnosti,najmä za určitých podmienok môžu vykazovať fázový prechod na Bose G Einsteinov kondenzát. V tomto stave sa predtým nezávislé viacnásobné polaritóny stanú nerozoznateľnými.
Čo vedci prišli?
Na základe najnovšieho experimentuVedci si všimli, že keď sú polaritóny excitované laserovými impulzmi, vyžarujú svetelné impulzy spôsobom, ktorý napodobňuje vypaľovanie biologických neurónov. Tento efekt priamo súvisí s fenoménom Bose-Einsteinovej kondenzácie, ktorá buď potláča alebo zvyšuje emisiu impulzov.
Vedci, ktorí vytvorili teoretické základykombinujúci výskum polaritónov s LIF modelom neurónu (Leaky Integrate-and-Fire model), povedal, že skupina teraz pracuje na riešení problému škálovateľnosti - spájania mnohých neurónov do siete.
Autori štúdie navrhujú použiťnová výpočtová paradigma. Je založená na kódovaní informácií impulzmi, ktoré spúšťajú signál až vtedy, keď dorazí do neurónu postupne v správnom čase.
Ako to bude fungovať?
V súčasnosti sa využívajú neurónové sietevrstvy vzájomne prepojených neurónov, ktoré spúšťajú impulzy v závislosti od dôležitosti priradenej každému spojeniu (v matematickom popise hovoríme o „váhoch“). Na rozdiel od tohto typu riešenia, v novej optickej neurónovej sieti opísanej v Laser and Photonics Review sa neuróny spúšťajú (t. j. aktivujú) v reakcii na sekvenciu impulzov. Môžu sa líšiť v rôznej intenzite a rôznych časových intervaloch.
sk.freepik.com
Ako v prípade s biologickýmneuróny, ktoré sú excitované elektrickými impulzmi, existuje určitá hranica, nad ktorou táto sekvencia impulzov dopadajúca na neurón spustí signál, ktorý sa prenáša ďalej. Polaritóny umožňujú napodobniť biologický systém, pretože iba stimulácia s príslušným počtom fotónov nad určitým prahom vedie k vytvoreniu Bose-Einsteinovho kondenzátu a potom k emisii krátkeho pikosekundového záblesku, ktorý je signálom pre nasledujúci neurón. .
Na vytvorenie vzorky, ktorú vedciPoužíva sa na zachytávanie fotónov a pozorovanie kondenzátu excitonických polaritónov, vedci usporiadali atómy rôznych typov polovodičových kryštálov vrstvu po vrstve. Na vytvorenie prototypu fotonického neurónu použili epitaxiu molekulárneho lúča. Na dosiahnutie Boseho-Einsteinovho stavu kondenzátu bola potrebná teplota 4 Kelviny (–269,15 °C).
Čo bude ďalej?
Teraz vedci plánujú experiment prispôsobiťna izbovú teplotu, aby sa predišlo kryogénnym podmienkam. Je potrebný výskum nových materiálov, ktoré umožnia získavať Bose-Einsteinove kondenzáty aj pri vysokých teplotách. Aby sa fotonické neuróny spojili do sietí, musia byť schopné medzi sebou prenášať signály. V ideálnom prípade by sa smer prenosu, teda schéma zapojenia, mal podľa potreby jednoducho meniť.
Vedci sa stále stretávajú s novýmiproblémy vo výskume neuromorfných systémov. Nový nápad vedcov obnoviť hroty biologických neurónov v optickej oblasti možno použiť na vytvorenie siete a následne neuromorfného systému. V porovnaní s existujúcimi riešeniami odosiela informácie rádovo rýchlejšie a energeticky efektívnejším spôsobom.
Čítaj viac:
Archeológovia oficiálne potvrdili legendy z Biblie
Ukázalo sa, čo sa stane s bunkami tela, keď srdce odumrie
Signál Starlink bol hacknutý, aby sa dal použiť ako alternatíva k GPS