Naukowcy opracowali fotoniczny sztuczny neuron. To istotny krok w kierunku stworzenia układu fotonicznego naśladującego w działaniu ludzki mózg.

Informacje przetwarzamy coraz szybciej

Zapotrzebowanie na szybsze i bardziej kompleksowe przetwarzanie informacji stale rośnie. Jak skutecznie zwiększyć moc obliczeniową komputerów, a jednocześnie wzmocnić ich efektywność energetyczną? To właśnie sieci neuromorficzne mogą stać się rozwiązaniem tego problemu. Swoim działaniem naśladują ludzki mózg – przetwarzają informacje szybciej i efektywniej w działaniach takich, jak rozpoznawanie obrazów. To też przyszłość sztucznej inteligencji.

Złożoność ludzkiego mózgu

Zagadnieniem zainteresowała się grupa badaczy z Instytutu Fizyki PAN (IF PAN) oraz Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Wzorem był dla nich mózg ssaków – jeden z najbardziej złożonych oraz wydajnych systemów na świecie. W mózgu ludzkim znajduje się 100 miliardów neuronów, a każdy tworzy kilka tysięcy połączeń z innymi komórkami nerwowymi. Skomplikowana sieć neuronowa wykonuje tryliony operacji na sekundę, a zużywa przy tym zaledwie 20-25 watów mocy. Dla porównania, konwencjonalne procesory potrzebują aż dziesięć razy więcej mocy, aby rozpoznać zaledwie tysiąc różnych typów obiektów. Czy można przybliżyć się do tej wydajności w sztucznie stworzonym środowisku?

Fotony w pulsujących sieciach

Badacze zaproponowali wykorzystanie fotonów w sposób umożliwiający tworzenie pulsujących sieci neuronowych. Układy fotoniczne pozwalają na komunikację z prędkością światła, do tego zapewniają niskie straty i małe zużycie energii. Oddziałują jednak stosunkowo słabo, nie są więc w stanie prowadzić obliczeń analogicznie do układów elektronicznych.

Zastosowano więc rozwiązanie, w którym fotony oddziałują z ekscytonami. Ekscytony są to kwazicząsteczki powstałe przez elementarne wzbudzenie elektronów i dziur w półprzewodniku. Gdy fotony i ekscytony są uwięzione razem w tzw. mikroszczelinach optycznych, są zmuszone wymieniać między sobą energię. Powstaje polaryton – czyli trwałe oddziaływanie złożone ze światła i nośników prądu.

Badacze jako pierwsi zauważyli, że gdy polarytony są wzbudzane laserem, to emitują impulsy świetlne w sposób naśladujący biologiczne neurony. W opisanej przez nich optycznej sieci neuronowej neurony stają się aktywne w odpowiedzi na ciąg impulsów o różnym natężeniu i emitowanych w różnych odstępach czasowych. Podobnie jak w przypadku biologicznych neuronów, w pewnym momencie ciąg impulsów docierających do neuronu wyzwala sygnał, który jest przekazany dalej.

Teraz grupa pracuje nad rozwiązaniem problemu skalowalności, czyli połączenia wielu neuronów w spójną sieć.

Wyniki badań znalazły się w pracy opublikowanej w „Laser and Photonics Review”.

Źródło informacji: Instytut Fizyki PAN