Вчені з фізичного факультету Варшавського університету та Польської академії наук використовували фотони для
Як працює мозок?
Мозок ссавців - одна з самихскладних і ефективних систем у світі. У 1990-х нейробіологи показали, що одна область кори макаки здатна аналізувати і класифікувати візуальні патерни всього за 30 мілісекунд. При цьому, кожен з задіяних в цьому процесі нейронів посилає менше трьох повідомлень у вигляді електричних імпульсів. Це стало можливим завдяки великій кількості синапсів - з'єднань між нейронами - в нейронній мережі мозку макак.
Людський мозок - частина ще більш потужногомеханізму. Він складається з 100 млрд нейронів, кожен з яких створює в середньому кілька тисяч сполук з іншими нервовими клітинами. Так з'являється нейронна мережа приблизно з 100 тлрн сполук. Завдяки ним наш мозок здатний одночасно розпізнавати, міркувати і керувати рухом. Він виконує трильйони операцій в секунду, споживаючи всього 20-25 ватів енергії.
В чому проблема?
Для порівняння, звичайні процесори споживаютьв 10 разів більше енергії, щоб розпізнавати лише тисячу різних типів об'єктів. Ця разюча різниця і виняткова продуктивність мозку зумовлені, серед іншого, біохімією нейронів, архітектурою нейронних зв'язків і біофізикою нейронних обчислювальних алгоритмів.
Апетит суспільства до інформації постійнозростає, тому є запит на її швидку і всебічну обробку. Звичайні обчислювальні системи не здатні задовольнити зростаючий попит на зростаючу обчислювальну потужність при одночасному підвищенні енергоефективності. Але рішення є, хоч і непросте.
Що робити?
Вирішення проблеми - нейроморфні пристрої.Їхня робота якого заснована на принципах дії людського мозку. Вони моделюють роботу нейронів та їх відростків (аксонів та дендритів), які відповідають за передачу та сприйняття даних. Зв'язки між нейронами утворюються з допомогою синапсів — спеціальних контактів, якими транслюються електричні сигнали.
ru.freepik.com
За нейроморфними пристроями майбутнєштучного інтелекту, оскільки вони дозволяють набагато швидше і ефективніше обробляти інформацію в таких завданнях, як розпізнавання зображень. Але створити їх не так просто, однак у вчених з фізичного факультету Варшавського університету та Польської академії наук є рішення.
Що запропонували вчені?
Для вирішення проблеми вчені звернулися доквантовим обчисленням. Вони запропонували використовувати фотони таким чином, щоб їх створювати імпульсні нейронні мережі. Перевага фотонних систем в тому, що вони забезпечують зв'язок зі швидкістю світла, низькими втратами і низьким енергоспоживанням.
Перевага фотонів в тому, щоїх поширення відбувається практично без втрат енергії. На жаль, через те, що вони взаємодіють відносно слабо, їх важко використовувати для виконання обчислювальних операцій аналогічно електронним системам.
Оптична мікропорожнина як пульсуючий нейрон.Візуалізація: Матеуш Крол, джерело: Фізичний факультет Варшавського університету. Автори та права: Матеуш Крол, джерело: Фізичний факультет Варшавського університету
Вчені запропонували рішення, в якому фотонисильно взаємодіють з частинками дуже малої маси - екситонами. Ця сильна взаємодія можлива, коли фотони і екситони захоплюються разом в так званих оптичних мікропорожнинах, що призводить до обміну енергією, що повторюється між ними. Такий вид синергії, що виникає в мікропорожнині між фотоном і екситоном, настільки стійкий, що фізики називають ексцизійним поляритоном (або скорочено поляритоном).
Поляритони мають унікальні властивості,особливо за певних умов вони можуть демонструвати фазовий перехід в конденсат Бозе G Ейнштейна. У такому стані раніше незалежні кратні поляритони стають нерозрізняними.
Що придумали вчені?
Грунтуючись на останньому експерименті,вчені помітили, що коли поляритони збуджуються лазерними імпульсами, то випромінюють світлові імпульси таким чином, що імітує сплески біологічних нейронів. Цей ефект безпосередньо пов'язаний з явищем конденсації Бозе-Ейнштейна, який або пригнічує, або посилює випромінювання імпульсів.
Вчені, які розробили теоретичні засади,поєднуючі дослідження поляритонів з LIF-моделлю нейрона (модель Leaky Integrate-and-Fire), розповіли, що зараз група працює над вирішенням проблеми масштабованості - з'єднання безлічі нейронів в мережу.
Автори дослідження пропонують використатинову обчислювальну парадигму. Вона заснована на кодуванні інформації імпульсами, які запускають сигнал тільки тоді, коли він надходить на нейрон послідовно, в потрібний час.
Як це буде працювати?
В даний час нейронні мережі використовуютьшари взаємопов'язаних нейронів, які запускають імпульси в залежності від важливості, що приписується кожному з'єднанню (в математичному описі ми посилаємося на «ваги»). У відмінність від цього типу рішення, в новій оптичній нейронній мережі, описаній в Laser and Photonics Review, нейрони запускаються (тобто стають активними) в відповідність на послідовність імпульсів. Вони можуть відрізнятися різною інтенсивністю і різними часовими інтервалами.
ru.freepik.com
Як і в випадку з біологічниминейронами, які збуджуються електричними імпульсами, існує певний поріг, вище за який ця послідовність імпульсів, що досягають нейрона, запускає сигнал, який передається далі. Поляритони дозволяють імітувати біологічну систему, тому що тільки стимуляція відповідною кількістю фотонів вище певного порогу призводить до утворення конденсату Бозе - Ейнштейна, а потім випромінювання короткого пікосекундного спалаху, який є сигналом для наступний нейрон.
Щоб створити зразок, який вченівикористовували для уловлювання фотонів та спостереження конденсату екситонних поляритонів, вчені розташували атоми різних типів напівпровідникових кристалів шар за шаром. Вони використовували молекулярно-променеву епітаксию, щоб створити прототип фотонного нейрона. Для досягнення стану конденсату Бозе-Ейнштейна була потрібна температура 4 Кельвіна (–269,15 °C).
Що далі?
Наразі вчені планують адаптувати експериментдля кімнатної температури, щоб обійтися без кріогенних умов. Необхідні дослідження нових матеріалів, які дозволять одержувати конденсати Бозе-Ейнштейна також за високих температур. Для того, щоб фотонні нейрони об'єднувалися в мережі, вони повинні мати можливість передавати сигнали один одному. В ідеалі, напрямок передачі, тобто схему з'єднань, треба легко змінювати по мірі необхідності.
Вчені, як і раніше, стикаються з новимипроблемами в своїх дослідженнях нейроморфних систем. Нову ідею вчених відтворити спайки біологічних нейронів в оптичної області можна використовувати для створення мережі, а потім і нейроморфної системи. У ній інформація відправляється на порядки швидше й більш енергоефективним способом порівняння з існуючими рішеннями.
Читати далі:
Археологи офіційно підтвердили оповіді з Біблії
З'ясувалося, що відбувається із клітинами тіла, коли вмирає серце
Сигнал Starlink зламали, щоб використовувати його як альтернативу GPS