Лазерный мир

За нейроморфными устройствами — будущее, однако создать их не так уж просто. Однако физики приблизились к решению проблемы. «Хайтек» ознакомился с результатами исследования и рассказывает главное.

Ученые с физического факультета Варшавского университета и Польской академии наук использовали фотоны для создания спайкового нейрона. Это основной элемент 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 университет). Авторы и права: Матеуш Крол, источник: Физический факультет Варшавского университета

Как работает мозг?

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. При этом 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 макак.

Человеческий мозг — часть еще более мощного механизма. Он состоит из 100 млрд нейронов, каждый из которых создает в среднем несколько тысяч соединений с другими нервными клетками. Так появляется нейронная сеть примерно из 100 тлрн соединений. Благодаря им наш мозг способен одновременно распознавать, рассуждать и управлять движением. Он выполняет триллионы операций в секунду, потребляя всего 20–25 ватт энергии.

В чем проблема?

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 есть запрос на ее быструю и всестороннюю обработку. Обычные вычислительные системы не способны удовлетворить растущий спрос на растущую вычислительную мощность при одновременном повышении энергоэффективности. Но решение есть, хоть и непростое.

Что делать?

Решение проблемы — нейроморфные устройства. Их работа основана на принципах действия человеческого мозга. Они моделируют работу нейронов и их отростков (аксонов и дендритов), которые отвечают за передачу и восприятие данных. Связи между нейронами образуются за счет синапсов — специальных контактов, по которым транслируются электрические сигналы.

Что предложили ученые?

Для решения проблемы ученые обратились к квантовым вычислениям. Они предложили использовать фотоны таким образом, чтобы их создавать импульсные нейронные сети. Преимущество фотонных систем в том, что они 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

Полное содержание статьи на .https://hightech.fm/2022/10/31/polariton-neuron