Forskare från fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa och den polska vetenskapsakademin använde fotoner för att
Hur fungerar hjärnan?
Däggdjurshjärnan är en av de mestkomplexa och effektiva system i världen. På 1990-talet visade neuroforskare att ett område av makakbarken kunde analysera och klassificera visuella mönster på bara 30 millisekunder. Samtidigt skickar var och en av neuronerna som är involverade i denna process mindre än tre meddelanden i form av elektriska impulser. Detta möjliggjordes på grund av det stora antalet synapser – kopplingar mellan neuroner – i makakhjärnans neurala nätverk.
Den mänskliga hjärnan är en del av en ännu mer kraftfullmekanism. Den består av 100 miljarder neuroner, som var och en skapar i genomsnitt flera tusen förbindelser med andra nervceller. Så här uppstår ett neuralt nätverk med cirka 100 biljoner anslutningar. Tack vare dem kan vår hjärna samtidigt känna igen, resonera och kontrollera rörelser. Den utför biljoner operationer per sekund samtidigt som den bara förbrukar 20-25 watt.
Vad är problemet?
I jämförelse konsumerar konventionella processorertio gånger mer energi för att känna igen bara tusen olika typer av föremål. Denna anmärkningsvärda skillnad och exceptionella hjärnprestanda beror bland annat på neuronernas biokemi, arkitekturen för neurala anslutningar och biofysiken hos neurala beräkningsalgoritmer.
Samhällets aptit på information är konstantväxer, så det finns en begäran om dess snabba och omfattande bearbetning. Konventionella datorsystem klarar inte av att möta den växande efterfrågan på ökad datorkraft och samtidigt förbättra energieffektiviteten. Men det finns en lösning, om än svår.
Vad man ska göra
Lösningen på problemet är neuromorfa enheter.Deras arbete är baserat på den mänskliga hjärnans principer. De modellerar neuronernas arbete och deras processer (axoner och dendriter), som är ansvariga för överföring och uppfattning av data. Anslutningar mellan neuroner bildas på grund av synapser - speciella kontakter genom vilka elektriska signaler överförs.
sv.freepik.com
Neuromorfa enheter är framtidenartificiell intelligens, eftersom de möjliggör mycket snabbare och effektivare bearbetning av information i uppgifter som bildigenkänning. Men att skapa dem är inte så lätt, men forskare från fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa och den polska vetenskapsakademin har en lösning.
Vad föreslog forskarna?
För att lösa problemet vände sig forskare tillkvantberäkning. De föreslog att fotoner skulle användas på ett sådant sätt att de kunde skapas av pulserade neurala nätverk. Fördelen med fotoniska system är att de ger kommunikation med ljusets hastighet, låga förluster och låg strömförbrukning.
Fördelen med fotoner är attderas distribution sker med praktiskt taget ingen energiförlust. Tyvärr, på grund av att de interagerar relativt svagt, är de svåra att använda för att utföra beräkningsoperationer på liknande sätt som elektroniska system.
Optisk mikrokavitet som en pulserande neuron.Visualisering: Mateusz Krol, källa: Fysiska fakulteten, Warszawas universitet). Kreditt: Mateusz Krol, källa: Fysiska fakulteten, Warszawas universitet
Forskare har föreslagit en lösning där fotonerinteragerar starkt med partiklar med mycket låg massa - excitoner. Denna starka interaktion är möjlig när fotoner och excitoner fångas tillsammans i så kallade optiska mikrohåligheter, vilket resulterar i ett upprepat utbyte av energi mellan dem. Denna typ av synergi, som sker i en mikrokavitet mellan en foton och en exciton, är så stabil att fysiker kallar det en excisional polariton (eller förkortat polariton).
Polaritoner har unika egenskaper,speciellt under vissa förhållanden kan de uppvisa en fasövergång till ett Bose G Einstein-kondensat. I detta tillstånd blir tidigare oberoende multipla polaritoner omöjliga att särskilja.
Vad kom forskare med?
Baserat på det senaste experimentet,Forskare har märkt att när polaritoner exciteras av laserpulser, avger de ljuspulser på ett sätt som efterliknar avfyrningen av biologiska neuroner. Denna effekt är direkt relaterad till fenomenet Bose-Einstein-kondensering, som antingen undertrycker eller förstärker emissionen av pulser.
Forskare som utvecklade de teoretiska grundernagenom att kombinera forskning om polaritoner med LIF-modellen av en neuron (Leaky Integrate-and-Fire-modellen), sa att gruppen nu arbetar med att lösa problemet med skalbarhet - att koppla ihop många neuroner till ett nätverk.
Författarna till studien föreslår att man användernytt datorparadigm. Den är baserad på kodning av information genom impulser som utlöser en signal först när den anländer till neuronen sekventiellt vid rätt tidpunkt.
Hur kommer det att fungera?
För närvarande använder neurala nätverklager av sammankopplade neuroner som avfyrar impulser beroende på vilken betydelse varje anslutning tilldelas (i den matematiska beskrivningen hänvisar vi till "vikter"). I motsats till denna typ av lösning, i det nya optiska neurala nätverket som beskrivs i Laser and Photonics Review, avfyrar neuroner (dvs. blir aktiva) som svar på en sekvens av pulser. De kan skilja sig åt i olika intensiteter och olika tidsintervall.
sv.freepik.com
Som i fallet med biologiskaneuroner som exciteras av elektriska impulser, finns det en viss tröskel över vilken denna sekvens av impulser som når neuronen utlöser en signal som sänds vidare. Polaritoner gör det möjligt att efterlikna ett biologiskt system eftersom endast stimulering med lämpligt antal fotoner över ett visst tröskelvärde resulterar i bildandet av ett Bose-Einstein-kondensat och sedan emissionen av en kort pikosekundblixt, vilket är en signal till nästa neuron .
Att skapa ett prov som forskareanvänds för att fånga fotoner och observera ett kondensat av excitoniska polaritoner, arrangerade forskarna atomerna av olika typer av halvledarkristaller lager för lager. De använde molekylär strålepitaxi för att skapa en prototyp av fotonisk neuron. För att uppnå Bose-Einstein-kondensattillståndet krävdes en temperatur på 4 Kelvin (–269,15 °C).
Vad är nästa?
Nu planerar forskare att anpassa experimentetför rumstemperatur för att undvika kryogena förhållanden. Det behövs forskning om nya material som gör det möjligt att få Bose-Einstein-kondensat även vid höga temperaturer. För att fotoniska neuroner ska kunna kombineras till nätverk måste de kunna överföra signaler till varandra. Helst bör överföringsriktningen, det vill säga anslutningsschemat, enkelt ändras efter behov.
Forskare möter fortfarande nyaproblem i sin forskning av neuromorfa system. Forskarnas nya idé att återskapa spikarna av biologiska neuroner i den optiska regionen kan användas för att skapa ett nätverk och sedan ett neuromorft system. Den skickar information i storleksordningar snabbare och på ett mer energieffektivt sätt jämfört med befintliga lösningar.
Läs mer:
Arkeologer har officiellt bekräftat legenderna från Bibeln
Det visade sig vad som händer med kroppens celler när hjärtat dör
Starlink-signal hackad för att användas som ett alternativ till GPS