Opracowano sztuczną optyczną synapsę?
Zespół polskich naukowców przy pomocy światła naśladuje operacje, jakie zachodzą w komórkach nerwowych, czyli coś – jak obrazowo tłumaczy prof. Artur Bednarkiewicz z PANu – na wzór sztucznej optycznej synapsy.
Portal Nauka w Polsce pisze, że naukowcy z polskiego zespołu pokazali już pierwsze eksperymentalne zastosowania pomysłu, udowadniając możliwości przetwarzania skomplikowanych sygnałów całkowicie na drodze optycznej. Badania zostały przedstawione w artykule prestiżowego Advanced Materials.
Naukowcy wskazują że tzw. obliczenia neuromorficzne i rezerwuarowe - naśladujące sposób przetwarzania informacji w układzie nerwowym – mogą bazować na przeliczaniu pewnych miar na inne, bez użycia liczb.
„Intensywność bodźca przekładana jest nie na amplitudę, ale na częstotliwość impulsów potencjału czynnościowego w neuronach” – opowiada w rozmowie z Nauką w Polsce prof. Artur Bednarkiewicz z Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN.
Zdaniem naukowców potencjalne zalety układów optycznych przewyższają te tradycyjne.
"Współczesne układy cyfrowe, opierające swoje działanie na miliardach tranzystorów, coraz bardziej zbliżają się do fizycznych limitów - nie można w nieskończoność miniaturyzować tworzących je elementów; gęstsze ich upakowanie, poza komplikacją budowy, rodzi też problem usuwania nadmiaru ciepła z układu. Szybsze taktowanie także stwarza problemy technologiczne. Stąd też wciąż poszukiwane są alternatywne sposoby wydajnego przetwarzania danych" – dodaje współautor pracy, dr Marcin Szalkowski z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu.
Pomysł przeprowadzenia obliczeń neuromorficznych pojawił się przy okazji prac zespołu prof. Bednarkiewicza nad materiałami luminescencyjnymi, w których zachodzi lawinowa emisja fotonów.
Badacz wyjaśnia, że chodzi o nietypowe właściwości nanokryształów fluorków sodowo-litowych domieszkowanych za pomocą jonów ziem rzadkich (np. jonów tulu). Wskazuje, że materiały takie były wykorzystywane dotychczas w budowie laserów lub przy budowie starych kineskopów. Nie są to pierwsze badania zespołu pod przewodnictwem prof. Bednarkiewicza nad nanomateriałami – w ostatnich latach naukowcy badali wykorzystanie nanomateriałów w obrazowaniu mikroskopowym z rozdzielczością poniżej limitu dyfrakcji światła.
W tradycyjnych materiałach luminescencyjnych niewielki sygnał - np. delikatny błysk światła - pobudza materiał tak, że zaczyna on świecić niemal natychmiast po wzbudzeniu, pisze Nauka w Polsce. Ponadto, typowo, jeśli intensywność pobudzenia rośnie dwukrotnie, uzyskana intensywność świecenia rośnie również dwukrotnie.
Tymczasem w nieliniowych materiałach luminescencyjnych badanych w grupie prof. Bednarkiewicza dwukrotny wzrost intensywności bodźca może prowadzić do ponad stukrotnego wzrostu intensywności luminescencji. „Jeśli przekroczy się pewien próg pobudzenia, w materiale uruchamia się lawinowa emisja fotonów (ang. photon avalanche)” – tłumaczy profesor.
To właśnie te nietypowe właściwości zdaniem badaczy przypominają swoim zachowaniem pracę synaps, a zaproponowane analogie można wykorzystać do optycznego wzmocnienia lub całkowicie optycznego przetwarzania sygnałów i przechowywania informacji.
"Tradycyjnie komputery są może szybkie, ale bazują na sekwencyjnym wykonywaniu operacji binarnych. Tymczasem jedna komórka nerwowa ma zwykle ponad 10 tysięcy synaps, które razem tworzą między sobą bardzo skomplikowaną i adaptacyjną sieć" – opisuje badacz z INTiBS.
"Na razie to, co zrobiliśmy, przypomina pojedynczą sztuczną optyczną synapsę. Trudno powiedzieć, do czego zostanie wykorzystana w przyszłości – chyba na razie zbyt śmiałe jest, moim zdaniem, twierdzenie, że kiedyś może powstać w ten sposób optyczny mózg. Ale przecież również wynalazcy tranzystora nie wiedzieli, w jakim kierunku rozwinie się ich pomysł kilkadziesiąt lat po odkryciu" – podsumowuje lider zespołu.
