Een kunstmatig polariton-neuron als opstap naar een fotovoltaïsch systeem dat de werking van het menselijk brein nabootst

(Nanwerk NieuwsZoogdierhersenen zijn een van de meest complexe en efficiënte systemen ter wereld. Al in de jaren negentig toonden neurobiologen aan dat één gebied van de makaakcortex in slechts 30 milliseconden visuele patronen kon analyseren en classificeren, hoewel elk van de bij dit proces betrokken neuronen minder dan drie berichten in de vorm van elektrische impulsen verzendt. Dit wordt mogelijk gemaakt door het grote aantal synapsen – verbindingen tussen neuronen – in het neurale netwerk van de makakenhersenen.

Het menselijk brein is een van de krachtigste machines. Het bestaat uit 100 miljard neuronen, die elk gemiddeld enkele duizenden verbindingen met andere neuronen tot stand brengen. Hierdoor ontstaat een neuraal netwerk van ca. 100 biljoen verbindingen, waardoor onze hersenen bewegingen tegelijkertijd kunnen herkennen, afleiden en controleren – biljoenen bewerkingen per seconde uitvoerend, met slechts 20-25 watt aan vermogen.

Ter vergelijking: traditionele processors gebruiken tien keer meer energie om slechts duizend verschillende soorten objecten te herkennen. Dit verbazingwekkende verschil en de buitengewone prestatie van de hersenen is onder andere te danken aan de biochemie van neuronen, de structuur van neurale verbindingen en de biofysica van neurale computationele algoritmen.

De honger naar informatie van de samenleving groeit voortdurend, dus we moeten deze informatie sneller en grondiger verwerken. Conventionele computersystemen kunnen mogelijk niet voldoen aan de groeiende vraag naar meer rekenkracht en tegelijkertijd de energie-efficiëntie verhogen. De oplossing voor het probleem kunnen de zogenaamde zenuwstelsels zijn die de acties van het biologische brein nabootsen. Het is de toekomst van kunstmatige intelligentie, omdat het zorgt voor een snellere en efficiëntere verwerking van informatie bij taken zoals beeldherkenning.

Wetenschappers van de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau en de Poolse Academie van Wetenschappen in een onderzoekspaper gepubliceerd in Laser en fotonica beoordeling (“Integratiemechanisme en lekbrand in Exciton-Polariton-condensatoren voor fotovoltaïsche spike-neuronen”) stelde voor om fotonen op zo’n manier te gebruiken dat het creëren van spiking neurale netwerken mogelijk wordt. Optische microlumen als pulserende neuronen. (Foto: Mateusz Kroll, Faculteit Natuurkunde, Universiteit van Warschau)

Krzysztof Tyszka van de School of Physics van de Universiteit van Warschau, de eerste auteur van het werk, benadrukt dat fotovoltaïsche systemen zorgen voor communicatie met lichtsnelheid, lage verliezen en een laag stroomverbruik. Het voordeel van fotonen is dat hun voortplanting praktisch zonder energieverlies plaatsvindt. – Helaas, omdat ze op een relatief zwakke manier met elkaar omgaan, is het moeilijk om ze te gebruiken om berekeningen uit te voeren op een vergelijkbare manier als elektronische systemen – voegt de wetenschapper eraan toe.

“In ons onderzoek stellen we een oplossing voor waarin fotonen sterk interageren met deeltjes met een zeer lage massa, excitonen genaamd”, legt Barbara Petka van het Polariton Laboratory van de School of Physics van de Universiteit van Warschau uit.

Deze sterke interactie is mogelijk wanneer fotonen en excitonen samen worden opgesloten in zogenaamde optische microvacuüms, waardoor een herhaalde uitwisseling van energie tussen hen wordt gedwongen. Dit soort synergie gegenereerd in de microholte tussen een foton en een exciton is zo constant dat natuurkundigen het een quasideeltje noemen en het een ablatie-polariton (of kortweg polariton) noemen.

Polaritonen hebben unieke eigenschappen, zeker onder de juiste omstandigheden, dat ze een faseovergang kunnen laten zien naar een Bose-Einstein condensaat. In een dergelijk geval kunnen de voorheen onafhankelijke meervoudige polaritonen niet worden onderscheiden.

“Op basis van onze recente ervaring waren we de eersten die opmerkten dat wanneer polaritons worden gestimuleerd met laserpulsen, ze lichtpulsen uitzenden op een manier die de pieken van biologische neuronen nabootst”, beschrijft Magdalena Furman, Ph.D. Student co-onderzoek in het Polariton Laboratory aan de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau. Dit effect is direct gerelateerd aan het fenomeen Bose-Einstein-condensatie, die de emissie van pulsen voorkomt of verbetert.

Andrzej Opala van het Instituut voor Natuurkunde van de Poolse Academie van Wetenschappen, die samen met Michal Matuszewski de theoretische onderbouwing ontwikkelde die de zoektocht naar polaritons en het LIF-model van neuronen (Leaky Integrate-and-Fire Model) combineert, voegt eraan toe dat de groep nu werken aan het schaalbaarheidsprobleem, namelijk het verbinden van veel neuronen in een netwerk.

“We stellen voor om een ​​nieuw computermodel te gebruiken dat vertrouwt op het coderen van informatie met impulsen die alleen een signaal afgeven wanneer het het neuron op het juiste moment bereikt”, legt de onderzoeker uit.

Momenteel gebruiken neurale netwerken lagen van onderling verbonden neuronen die impulsen afvuren op basis van het specifieke belang van elke verbinding (in de wiskundige beschrijving verwijzen we naar “gewichten”). In tegenstelling tot dit type oplossing worden in het door de onderzoekers ontwikkelde optische neurale netwerk neuronen aangezet (d.w.z. actief) als reactie op een reeks impulsen, die verschillende intensiteiten en verschillende tijdsduur kunnen hebben.

Net als bij biologische neuronen die worden opgewekt door elektrische impulsen, is er een bepaalde drempel waarboven deze impulstrein die het neuron bereikt een signaal activeert dat wordt doorgegeven. Polaritonen maken het mogelijk om een ​​biologisch systeem na te bootsen, omdat stimulatie met precies het juiste aantal fotonen, boven een bepaalde drempel, leidt tot de vorming van een Bose-Einstein-condensaat, en vervolgens de emissie van een korte-afstand picoseconde flits die een signaal naar het volgende neuron.

Belangrijk is dat het monster, dat de wetenschappers gebruikten om fotonen te vangen en de condensatie van exciton-polaritonen te bewaken, in situ werd gefabriceerd aan de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau, in de groep van Wojciech Bakowski. De wetenschappers rangschikten laag-voor-laag atomen van verschillende soorten halfgeleiderkristallen door een moleculaire bundel om een ​​typisch fotonisch neuron te vormen. Een temperatuur van 4K (vloeibaar helium) was nodig om een ​​Bose-Einstein condensaat te verkrijgen.

“Ons andere doel is om het experiment van koelomstandigheden naar kamertemperatuur te verplaatsen”, zegt Jacek Szczytko van de School of Physics van de Universiteit van Warschau. “Er moet worden gezocht naar nieuwe materialen waarmee ook bij hoge temperaturen Bose-Einstein-condensatoren kunnen worden verkregen. Om fotonische neuronen te laten communiceren, moeten ze signalen naar elkaar kunnen verzenden. In het ideale geval is de richting van transmissie, dat wil zeggen, het bedradingsschema kan indien nodig eenvoudig worden gewijzigd.”

“Wetenschappers staan ​​nog steeds voor nieuwe uitdagingen in hun onderzoek naar neurale systemen. Ons nieuwe idee kan worden gebruikt om een ​​golf van biologische neuronen in het gezichtsveld te recreëren om een ​​netwerk te creëren, en vervolgens een neuraal systeem waarin informatie orden van grootte sneller en op een meer energie-efficiënte manier dan de huidige oplossingen”, besluit Krzysztof Tyszka.