Varşova Üniversitesi Fizik Fakültesi ve Polonya Bilimler Akademisi'nden bilim adamları, fotonları kullanarak
Beyin nasıl çalışır?
Memeli beyni en çok kullanılan beyinlerden biridir.dünyadaki karmaşık ve etkili sistemler. 1990'larda sinir bilimciler, makak korteksinin bir bölgesinin görsel kalıpları yalnızca 30 milisaniyede analiz edip sınıflandırabildiğini gösterdi. Aynı zamanda, bu sürece dahil olan nöronların her biri, elektriksel uyarılar şeklinde üçten az mesaj gönderir. Bu, makak beyninin sinir ağındaki çok sayıda sinapsın (nöronlar arasındaki bağlantılar) sayesinde mümkün oldu.
İnsan beyni çok daha güçlü bir sistemin parçasıdırmekanizma. Her biri diğer sinir hücreleriyle ortalama birkaç bin bağlantı oluşturan 100 milyar nörondan oluşur. Yaklaşık 100 trilyon bağlantıdan oluşan bir sinir ağı bu şekilde ortaya çıkıyor. Onlar sayesinde beynimiz aynı anda hareketi tanıyabiliyor, akıl yürütebiliyor ve kontrol edebiliyor. Saniyede trilyonlarca işlemi gerçekleştirirken yalnızca 20-25 watt güç tüketiyor.
Sorun nedir?
Karşılaştırıldığında, geleneksel işlemcilerSadece bin farklı nesne türünü tanımak için on kat daha fazla enerji. Bu dikkate değer fark ve olağanüstü beyin performansı, diğer şeylerin yanı sıra, nöronların biyokimyasından, sinir bağlantılarının mimarisinden ve sinirsel hesaplamalı algoritmaların biyofiziğinden kaynaklanmaktadır.
Toplumun bilgi iştahı süreklibüyüyor, bu nedenle hızlı ve kapsamlı işlenmesine yönelik bir talep var. Geleneksel bilgi işlem sistemleri, enerji verimliliğini artırırken artan bilgi işlem gücüne yönelik artan talebi karşılayamıyor. Ancak zor da olsa bir çözümü var.
Ne yapmalı
Sorunun çözümü nöromorfik cihazlardır.Çalışmaları insan beyninin ilkelerine dayanmaktadır. Verilerin iletilmesinden ve algılanmasından sorumlu olan nöronların ve süreçlerinin (aksonlar ve dendritler) çalışmalarını modellerler. Nöronlar arasındaki bağlantılar, sinapslar nedeniyle oluşur - elektrik sinyallerinin iletildiği özel temaslar.
tr.freepik.com
Gelecek nöromorfik cihazlardıryapay zeka, görüntü tanıma gibi görevlerde bilginin çok daha hızlı ve verimli işlenmesine olanak sağladığı için. Ancak bunları oluşturmak o kadar kolay değil, ancak Varşova Üniversitesi Fizik Fakültesi ve Polonya Bilimler Akademisi'nden bilim adamlarının bir çözümü var.
Bilim adamları ne önerdi?
Sorunu çözmek için bilim insanları başvurdukuantum hesaplama. Fotonların darbeli sinir ağları tarafından oluşturulabilecek şekilde kullanılmasını önerdiler. Fotonik sistemlerin avantajı ışık hızında iletişim sağlaması, düşük kayıp ve düşük güç tüketimi sağlamasıdır.
Fotonların avantajı şudurdağıtımları neredeyse hiç enerji kaybı olmadan gerçekleşir. Ne yazık ki, nispeten zayıf etkileşime girmeleri nedeniyle, elektronik sistemlere benzer şekilde hesaplamalı işlemleri gerçekleştirmek için kullanılmaları zordur.
Titreşen bir nöron olarak optik mikro boşluk.Görselleştirme: Mateusz Krol, kaynak: Fizik Fakültesi, Varşova Üniversitesi). Kaynak: Mateusz Krol, kaynak: Fizik Fakültesi, Varşova Üniversitesi
Bilim adamları fotonların olduğu bir çözüm önerdilerçok düşük kütleli parçacıklar - eksitonlarla güçlü bir şekilde etkileşime girer. Bu güçlü etkileşim, fotonlar ve eksitonlar, optik mikro boşluklar olarak adlandırılan yerlerde bir arada tutulduklarında ve aralarında tekrarlanan bir enerji alışverişiyle sonuçlandığında mümkün olur. Bir foton ve bir eksiton arasındaki mikro boşlukta meydana gelen bu sinerji türü o kadar kararlıdır ki fizikçiler buna eksizyonel polariton (ya da kısaca polariton) adını verirler.
Polaritonların benzersiz özellikleri vardır.özellikle belirli koşullar altında Bose G Einstein yoğunlaşmasına faz geçişi sergileyebilirler. Bu durumda önceden bağımsız olan çoklu polarizasyonlar ayırt edilemez hale gelir.
Bilim adamları neyi ortaya çıkardılar?
En son deneye dayanarak,Bilim adamları, polaritonların lazer darbeleriyle uyarıldığında, biyolojik nöronların ateşlenmesini taklit edecek şekilde ışık darbeleri yaydıklarını fark ettiler. Bu etki, darbe emisyonunu baskılayan veya artıran Bose-Einstein yoğunlaşması olgusuyla doğrudan ilişkilidir.
Teorik temelleri geliştiren bilim adamlarıPolaritonlarla ilgili araştırmaları bir nöronun LIF modeliyle (Leaky Integrate-and-Fire modeli) birleştiren grup, artık birçok nöronu bir ağa bağlayarak ölçeklenebilirlik sorununu çözmeye çalıştığını söyledi.
Çalışmanın yazarları kullanılmasını önermektediryeni bilgi işlem paradigması. Bilginin, bir sinyali ancak doğru zamanda sıralı olarak nörona ulaştığında tetikleyen darbeler yoluyla kodlanmasına dayanır.
Nasıl çalışacak?
Şu anda sinir ağları kullanılıyorHer bir bağlantıya atanan öneme bağlı olarak uyarıları ateşleyen, birbirine bağlı nöron katmanları (matematiksel açıklamada "ağırlıklar" olarak adlandırıyoruz). Bu tür çözümün aksine, Lazer ve Fotonik İncelemesinde açıklanan yeni optik sinir ağında, nöronlar bir dizi darbeye yanıt olarak ateşlenir (yani aktif hale gelir). Farklı yoğunluklarda ve farklı zaman aralıklarında farklılık gösterebilirler.
tr.freepik.com
Biyolojik durumda olduğu gibiElektriksel uyarılarla uyarılan nöronlarda, nörona ulaşan bu uyarı dizisinin daha ileri iletilen bir sinyali tetiklediği belirli bir eşik vardır. Polaritonlar biyolojik bir sistemi taklit etmeyi mümkün kılar çünkü yalnızca belirli bir eşiğin üzerinde uygun sayıda fotonla uyarım, bir Bose-Einstein yoğunlaşmasının oluşmasına ve ardından bir sonraki nörona sinyal olan kısa bir pikosaniyelik flaşın yayılmasına neden olur. .
Bilim adamlarının bir örnek oluşturmak içinFotonları yakalamak ve eksitonik polaritonların yoğunlaşmasını gözlemlemek için kullanılan bilim adamları, farklı türdeki yarı iletken kristallerin atomlarını katman katman düzenlediler. Bir prototip fotonik nöron oluşturmak için moleküler ışın epitaksisini kullandılar. Bose-Einstein yoğunlaşma durumuna ulaşmak için 4 Kelvin (-269,15 °C) sıcaklık gerekiyordu.
Sırada ne var?
Bilim insanları şimdi deneyi uyarlamayı planlıyorKriyojenik koşullardan kaçınmak için oda sıcaklığında. Bose-Einstein yoğunlaşmalarının yüksek sıcaklıklarda da elde edilmesini mümkün kılacak yeni malzemeler üzerinde araştırma yapılması gerekiyor. Fotonik nöronların ağlar halinde bir araya gelebilmesi için birbirlerine sinyal iletebilmeleri gerekir. İdeal olanı iletim yönünün yani bağlantı şemasının ihtiyaca göre kolaylıkla değiştirilebilmesidir.
Bilim insanları hâlâ yeni buluşlarla karşılaşıyornöromorfik sistem araştırmalarında problemler. Bilim adamlarının optik bölgedeki biyolojik nöronların sivri uçlarını yeniden yaratmaya yönelik yeni fikri, bir ağ ve ardından nöromorfik bir sistem oluşturmak için kullanılabilir. Mevcut çözümlerle karşılaştırıldığında çok daha büyük bilgi emirlerini daha hızlı ve enerji açısından daha verimli bir şekilde gönderir.
Daha fazla oku:
Arkeologlar İncil'deki efsaneleri resmen doğruladılar
Kalp öldüğünde vücudun hücrelerine ne olduğu ortaya çıktı
Starlink sinyali, GPS'e alternatif olarak kullanılmak üzere hacklendi