Искусственный поляритонный нейрон как шаг к фотонной системе, имитирующей работу человеческого мозга
Ученые с физического факультета Варшавского университета и Польской академии наук использовали фотоны для создания спайкового нейрона, основного элемента будущего процессора фотонной нейронной сети. Результаты их работы опубликованы в последнем выпуске Laser and Photonics Review.
Оптическая микрополость как пульсирующий нейрон (визуализация: Матеуш Крол, источник: Физический факультет Варшавского университета). Авторы и права: Матеуш Крол, источник: Физический факультет Варшавского университета)
За нейроморфными устройствами (системами, имитирующими поведение биологического мозга) будущее искусственного интеллекта, поскольку они позволяют гораздо быстрее и эффективнее обрабатывать информацию.
Мозг млекопитающих — одна из самых сложных и эффективных систем в мире. В 1990-х нейробиологи показали, что одна область коры макаки способна анализировать и классифицировать визуальные паттерны всего за 30 миллисекунд, хотя каждый из задействованных в этом процессе нейронов посылает менее трех сообщений в виде электрических импульсов. Это стало возможным благодаря большому количеству синапсов — соединений между нейронами — в нейронной сети мозга макаки.
Человеческий мозг — часть еще более мощного механизма. Он состоит из 100 миллиардов нейронов, каждый из которых создает в среднем несколько тысяч соединений с другими нервными клетками. Это создает нейронную сеть примерно из 100 триллионов соединений, благодаря которым наш мозг способен одновременно распознавать, рассуждать и управлять движением — он выполняет триллионы операций в секунду, потребляя всего 20–25 ватт энергии.
Для сравнения, обычные процессоры потребляют в десять раз больше энергии, чтобы распознавать всего лишь тысячу различных типов объектов. Эта поразительная разница и исключительная производительность мозга обусловлены, среди прочего, биохимией нейронов, архитектурой нейронных связей и биофизикой нейронных вычислительных алгоритмов.
Аппетит общества к информации постоянно растет, поэтому нам необходимо быстрее и всесторонне обрабатывать эту информацию. Обычные вычислительные системы могут не удовлетворить растущий спрос на большую вычислительную мощность при одновременном повышении энергоэффективности. Решением проблемы могут стать нейроморфные устройства, имитирующие действия биологического мозга. За ними будущее искусственного интеллекта, поскольку они позволяют гораздо быстрее и эффективнее обрабатывать информацию в таких задачах, как распознавание изображений.
Ученые с физического факультета Варшавского университета и Польской академии наук предложили использовать фотоны таким образом, чтобы можно было создавать импульсные нейронные сети. Кшиштоф Тышка с физического факультета Варшавского университета, который является первым автором работы, подчеркивает, что фотонные системы обеспечивают связь со скоростью света, низкими потерями и низким энергопотреблением.
«Преимущество фотонов в том, что их распространение происходит практически без потерь энергии. К сожалению, из-за того, что они взаимодействуют относительно слабо, их сложно использовать для выполнения вычислительных операций аналогично электронным системам », — говорит ученый.
«В нашем исследовании мы предлагаем решение, в котором фотоны сильно взаимодействуют с частицами очень малой массы, называемыми экситонами», — объясняет Барбара Питка из Поляритонной лаборатории физического факультета Варшавского университета.
«Это сильное взаимодействие возможно, когда фотоны и экситоны захватываются вместе в так называемых оптических микрополостях, что приводит к повторяющемуся обмену энергией между ними. Этот вид синергии, возникающий в микрополости между фотоном и экситоном, настолько устойчив, что физики называют это квазичастица, и его называют эксцизионным поляритоном (или сокращенно поляритоном)».
Поляритоны обладают уникальными свойствами, особенно при определенных условиях они могут демонстрировать фазовый переход в конденсат Бозе-Эйнштейна. В таком состоянии ранее независимые кратные поляритоны становятся неразличимыми.
«Основываясь на нашем последнем эксперименте, мы первыми заметили, что, когда поляритоны возбуждаются лазерными импульсами , они излучают световые импульсы таким образом, который имитирует всплески биологических нейронов», — объясняет Магдалена Фурман, доктор философии, студент, участвующий в исследованиях в лаборатории поляритона на физическом факультете Варшавского университета. Этот эффект напрямую связан с явлением конденсации Бозе-Эйнштейна, которое либо подавляет, либо усиливает испускание импульсов.
Анджей Опала из Института физики Польской академии наук, который вместе с Михалом Матушевским разработал теоретические основы , сочетающие исследования поляритонов с LIF-моделью нейрона (модель Leaky Integrate-and-Fire), добавляет, что сейчас группа работает над решением проблемы масштабируемости, т.е. соединения множества нейронов в сеть.
«Мы предлагаем использовать новую вычислительную парадигму, основанную на кодировании информации импульсами, которые запускают сигнал только тогда, когда он поступает на нейрон последовательно, в нужное время», — объясняет исследователь.
В настоящее время нейронные сети используют слои взаимосвязанных нейронов, которые запускают импульсы в зависимости от важности, приписываемой каждому соединению (в математическом описании мы ссылаемся на «веса»). В отличие от этого типа решения, в оптической нейронной сети, описанной в Laser and Photonics Review, нейроны запускаются (т.е. становятся активными) в ответ на последовательность импульсов, которые могут иметь разную интенсивность и разные временные интервалы.
Как и в случае с биологическими нейронами, которые возбуждаются электрическими импульсами, существует определенный порог, выше которого эта последовательность импульсов, достигающих нейрона, запускает сигнал, который передается дальше. Поляритоны позволяют имитировать биологическую систему, потому что только стимуляция соответствующим количеством фотонов выше определенного порога приводит к образованию конденсата Бозе-Эйнштейна, а затем испусканию короткой пикосекундной вспышки, которая является сигналом для следующий нейрон.
Важно отметить, что образец, который ученые использовали для улавливания фотонов и наблюдения конденсата экситонных поляритонов, был синтезирован на месте на физическом факультете Варшавского университета в группе Войцеха Пакуски. Ученые расположили атомы различных типов полупроводниковых кристаллов слой за слоем с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии, чтобы создать прототип фотонного нейрона. Для достижения состояния конденсата Бозе-Эйнштейна требовалась температура 4К.
«Наша дальнейшая цель — перенести эксперимент из криогенных условий в комнатную температуру », — говорит Яцек Щитко с физического факультета Варшавского университета. «Необходимы исследования новых материалов, которые позволят получать конденсаты Бозе-Эйнштейна также при высоких температурах. Чтобы фотонные нейроны объединялись в сети, они должны иметь возможность передавать сигналы друг другу. В идеале направление передачи, то есть схема соединений, может быть легко изменен по мере необходимости».
«Ученые по-прежнему сталкиваются с новыми проблемами в своих исследованиях нейроморфных систем. Наша новая идея воссоздать спайки биологических нейронов в оптической области может быть использована для создания сети, а затем и нейроморфной системы, в которой информация отправляется на порядки быстрее. и более энергоэффективным способом по сравнению с существующими решениями», — заключает Кшиштоф Тышка.
