Akceptuję
W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczone w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. Więcej szczegółów w naszej Polityce Prywatności

Zamknij X
Labro glowna

Naukowy styl życia

Nauka i biznes

Strona główna Informacje
Dodatkowy u góry

Polscy badacze opracowali fotoniczny sztuczny neuron

Fotoniczny sztuczny neuron opracowali naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz IF PAN. To krok na drodze do stworzenia układu fotonicznego naśladującego działaniem ludzki mózg.

O rezultatach pracy naukowców możemy przeczytać w najnowszym „Laser and Photonics Review” https://doi.org/10.1002/lpor.202100660. O badaniach poinformowali przedstawiciele Wydziału Fizyki UW w przesłanym PAP komunikacie.

Apetyt społeczeństwa na informacje stale rośnie, wzrasta też potrzeba przetwarzania tych informacji coraz szybciej i bardziej wszechstronnie. Konwencjonalne systemy komputerowe mogą nie sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na większą moc obliczeniową, przy jednoczesnym zwiększaniu efektywności energetycznej. Rozwiązaniem problemu mogą być tzw. sieci neuromorficzne, które naśladują działaniem biologiczny mózg. Są one przyszłością sztucznej inteligencji, pozwalają bowiem na zdecydowanie szybsze i efektywniejsze przetwarzanie informacji w takich zadaniach jak np. rozpoznawanie obrazów.

A ludzki mózg to naprawdę system, z którego warto brać przykład. Jest nie tylko wyjątkowo złożony, ale i wyjątkowo wydajny. “Wykonuje biliony operacji na sekundę, zużywając zaledwie 20 – 25 watów mocy. Dla porównania, konwencjonalne procesory zużywają dziesięć razy tyle mocy, aby rozpoznać zaledwie tysiąc różnych rodzajów obiektów. Ta oszałamiająca różnica i wyjątkowa wydajność mózgu wynikają m.in. z biochemii neuronów, architektury połączeń nerwowych oraz biofizyki neuronowych algorytmów obliczeniowych” - podsumowują przedstawiciele FUW .

Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz Instytutu Fizyki PAN w pracy opublikowanej w „Laser and Photonics Review” zaproponowali wykorzystanie fotonów w sposób umożliwiający tworzenie pulsujących sieci neuronowych.

Dr Krzysztof Tyszka z Wydziału Fizyki UW, który jest pierwszym autorem pracy, podkreśla, że systemy fotoniczne zapewniają komunikację z prędkością światła, niskie straty i niskie zużycie energii. Zaletą fotonów jest to, że ich propagacja odbywa się praktycznie bez strat energii. “Niestety w związku z tym, że oddziałują one ze sobą w sposób relatywnie słaby, ciężko wykorzystać je do wykonywania operacji obliczeniowych w sposób analogiczny do układów elektronicznych” – dodaje cytowany w komunikacie naukowiec.

Dlatego badacze postanowili sięgnąć po rozwiązanie, w którym fotony silnie oddziałują z cząstkami o bardzo małej masie, zwanymi ekscytonami. “Silne oddziaływanie uzyskuje się umieszczając fotony oraz ekscytony razem w optycznej mikrownęce. Zabieg ten wymusza cykliczną wymianę energii między nimi. Ten rodzaj synergii jest tak trwały, że fizycy określają go mianem kwazicząstki zwanej w skrócie polarytonem” – wyjaśnia prof. Barbara Piętka z Laboratorium Polarytonowego na Wydziale Fizyki UW.

Polarytony mają wyjątkowe właściwości, przede wszystkim w odpowiednich warunkach mogą ulegać przejściu w stan skupienia zwany kondensatem Bosego-Einsteina. W takim stanie, wcześniej niezależne, liczne polarytony stają się nierozróżnialne.

“Opierając się na naszym ostatnim eksperymencie, jako pierwsi zauważyliśmy, że kiedy polarytony są wzbudzane za pomocą impulsów laserowych, emitują impulsy światła przypominające pulsowanie neuronów biologicznych” – opisuje Magdalena Furman, doktorantka zaangażowana w badania w laboratorium Polarytonowym na Wydziale Fizyki UW. Efekt ten ma być bezpośrednio związany ze zjawiskiem kondensacji Bosego-Einsteina, które albo hamuje, albo wzmacnia emisję impulsów.

Dr Andrzej Opala z Instytutu Fizyki PAN, który razem z prof. Michałem Matuszewskim opracował model teoretyczny łączący badania nad polarytonami z modelem neuronu LIF (Leaky Integrate-and-Fire), dodaje, że teraz grupa pracuje nad rozwiązaniem problemu skalowalności, czyli połączenia wielu neuronów w sieć.

“Proponujemy wykorzystać nowy paradygmat obliczeniowy oparty na kodowaniu informacji za pomocą impulsów, które wyzwalają sygnał tylko wtedy, gdy przybędą do neuronu w odpowiednim czasie po sobie” – wyjaśnia naukowiec.

Obecnie tzw. sieci neuronowe wykorzystują warstwy połączonych ze sobą neuronów, które wyzwalają impulsy na podstawie przypisanej do każdego połączenia ważności (w opisie matematycznym mówimy o “wagach”). W odróżnieniu od tego typu rozwiązań, w optycznej sieci neuronowej opisanej w publikacji „Laser and Photonics Review”, neurony są wyzwalane (czyli stają się aktywne) w odpowiedzi na ciąg impulsów, które mogą mieć różną intensywność i różne odstępy czasowe.

Tak jak w przypadku neuronów biologicznych, które są pobudzane impulsami elektrycznymi, istnieje pewien próg, powyżej którego ten ciąg impulsów docierających do neuronu uruchamia sygnał, który będzie przekazywany dalej. Polarytony pozwalają na naśladowanie układu biologicznego, gdyż dopiero pobudzenie odpowiednią liczbą fotonów, powyżej pewnego progu, prowadzi do powstania kondensatu Bosego-Einsteina, a w efekcie do emisji, kilkudziesięciopikosekundowego impulsu światła będącego sygnałem dla kolejnego neuronu.

Próbka, która posłużyła naukowcom do uwięzienia fotonów i obserwacji kondensatu polarytonów ekscytonowych, została zsyntetyzowana na Wydziale Fizyki UW - w grupie prof. Wojciecha Pacuskiego.

Naukowcy ułożyli atomy różnego rodzaju kryształów półprzewodnikowych warstwa po warstwie w procesie epitaksji z wiązki molekularnej tworząc prototypowy neuron fotoniczny. Do uzyskania stanu kondensatu Bosego-Einsteina wymagana była temperatura 4 kelwinów, osiągana w ciekłym helu.

“Naszym kolejnym celem jest przeniesienie eksperymentu z warunków kriogenicznych do temperatury pokojowej – mówi prof. Jacek Szczytko z Wydziału Fizyki UW. – Potrzebne są badania nad nowymi materiałami, które pozwolą na uzyskanie kondensatów Bosego-Einsteina także w wysokich temperaturach. W Laboratorium Polarytonowym pracujemy nie tylko nad takimi substancjami, badamy też możliwość sterowania kierunkiem emitowanych fotonów” – dodaje naukowiec. Aby neurony fotoniczne połączyły się w sieć muszą one być w stanie przesyłać sobie nawzajem sygnały. Najlepiej byłoby, gdyby kierunek przesyłu, czyli schemat połączeń, mógł być łatwo zmieniany w zależności od potrzeb.

“W badaniach nad układami neuromorficznymi naukowcy wciąż napotykają na nowe wyzwania. Nasz nowy pomysł na odtworzenie pulsowania neuronów biologicznych w domenie optycznej, może posłużyć do stworzenia sieci, a potem układu neuromorficznego, w którym informacje przesyłane są o rzędy wielkości szybciej i w sposób bardziej efektywny energetycznie w porównaniu do dotychczasowych rozwiązań” – podsumowuje dr Krzysztof Tyszka.

Międzynarodowy zespół naukowców prowadził badania wspierane m.in. przez Narodowe Centrum Nauki, Centrum Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej UW oraz program Unii Europejskiej FET-Open Horyzont 2020, grant „TopoLight”.


Źródło: pap.pl


Drukuj PDF
wstecz Podziel się ze znajomymi

Recenzje




Informacje dnia: Polscy badacze opracowali fotoniczny sztuczny neuron To mit, że nowe media zawsze niszczą mózg dziecka Nagrano, jak wirus próbuje atakować komórki Sztuczne światło sprzyja cukrzycy Popularny suplement diety może zwiększać ryzyko raka Przeciwko Covid-19 trzeba dziś szukać nowych form szczepionki Polscy badacze opracowali fotoniczny sztuczny neuron To mit, że nowe media zawsze niszczą mózg dziecka Nagrano, jak wirus próbuje atakować komórki Sztuczne światło sprzyja cukrzycy Popularny suplement diety może zwiększać ryzyko raka Przeciwko Covid-19 trzeba dziś szukać nowych form szczepionki Polscy badacze opracowali fotoniczny sztuczny neuron To mit, że nowe media zawsze niszczą mózg dziecka Nagrano, jak wirus próbuje atakować komórki Sztuczne światło sprzyja cukrzycy Popularny suplement diety może zwiększać ryzyko raka Przeciwko Covid-19 trzeba dziś szukać nowych form szczepionki

Partnerzy

GoldenLine Fundacja Kobiety Nauki Job24 Obywatele Nauki NeuroSkoki Portal MaterialyInzynierskie.pl Uni Gdansk MULTITRAIN I MULTITRAIN II Nauki przyrodnicze KOŁO INZYNIERÓW PB ICHF PAN FUNDACJA JWP NEURONAUKA Mlodym Okiem Polski Instytut Rozwoju Biznesu Analityka Nauka w Polsce CITTRU - Centrum Innowacji, Transferu Technologii i Rozwoju Uniwersytetu Akademia PAN Chemia i Biznes Farmacom Świat Chemii Forum Akademickie Biotechnologia     Bioszkolenia Geodezja Instytut Lotnictwa EuroLab

Szanowny Czytelniku!

 
25 maja 2018 roku zacznie obowiązywać Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2016/679 z dnia 27 kwietnia 2016 r (RODO). Potrzebujemy Twojej zgody na przetwarzanie Twoich danych osobowych przechowywanych w plikach cookies. Poniżej znajdziesz pełny zakres informacji na ten temat.
 
Zgadzam się na przechowywanie na urządzeniu, z którego korzystam tzw. plików cookies oraz na przetwarzanie moich danych osobowych pozostawianych w czasie korzystania przeze mnie ze strony internetowej Laboratoria.net w celach marketingowych, w tym na profilowanie i w celach analitycznych.

Kto będzie administratorem Twoich danych?

Administratorami Twoich danych będziemy my: Portal Laboratoria.net z siedzibą w Krakowie (Grupa INTS ul. Czerwone Maki 55/25 30-392 Kraków).

O jakich danych mówimy?

Chodzi o dane osobowe, które są zbierane w ramach korzystania przez Ciebie z naszych usług w tym zapisywanych w plikach cookies.

Dlaczego chcemy przetwarzać Twoje dane?

Przetwarzamy te dane w celach opisanych w polityce prywatności, między innymi aby:

Komu możemy przekazać dane?

Zgodnie z obowiązującym prawem Twoje dane możemy przekazywać podmiotom przetwarzającym je na nasze zlecenie, np. agencjom marketingowym, podwykonawcom naszych usług oraz podmiotom uprawnionym do uzyskania danych na podstawie obowiązującego prawa np. sądom lub organom ścigania – oczywiście tylko gdy wystąpią z żądaniem w oparciu o stosowną podstawę prawną.

Jakie masz prawa w stosunku do Twoich danych?

Masz między innymi prawo do żądania dostępu do danych, sprostowania, usunięcia lub ograniczenia ich przetwarzania. Możesz także wycofać zgodę na przetwarzanie danych osobowych, zgłosić sprzeciw oraz skorzystać z innych praw.

Jakie są podstawy prawne przetwarzania Twoich danych?

Każde przetwarzanie Twoich danych musi być oparte na właściwej, zgodnej z obowiązującymi przepisami, podstawie prawnej. Podstawą prawną przetwarzania Twoich danych w celu świadczenia usług, w tym dopasowywania ich do Twoich zainteresowań, analizowania ich i udoskonalania oraz zapewniania ich bezpieczeństwa jest niezbędność do wykonania umów o ich świadczenie (tymi umowami są zazwyczaj regulaminy lub podobne dokumenty dostępne w usługach, z których korzystasz). Taką podstawą prawną dla pomiarów statystycznych i marketingu własnego administratorów jest tzw. uzasadniony interes administratora. Przetwarzanie Twoich danych w celach marketingowych podmiotów trzecich będzie odbywać się na podstawie Twojej dobrowolnej zgody.

Dlatego też proszę zaznacz przycisk "zgadzam się" jeżeli zgadzasz się na przetwarzanie Twoich danych osobowych zbieranych w ramach korzystania przez ze mnie z portalu *Laboratoria.net, udostępnianych zarówno w wersji "desktop", jak i "mobile", w tym także zbieranych w tzw. plikach cookies. Wyrażenie zgody jest dobrowolne i możesz ją w dowolnym momencie wycofać.
 
Więcej w naszej POLITYCE PRYWATNOŚCI
 

Newsletter

Zawsze aktualne informacje