Gli scienziati della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia e dell’Accademia polacca delle scienze hanno utilizzato i fotoni per creare un neurone spiking, ovvero l’elemento base del futuro processore della rete neurale fotonica. I cosiddetti dispositivi neuromorfici, ovvero i sistemi che imitano il comportamento del cervello biologico, su cui stanno lavorando i ricercatori, sono il futuro dell’intelligenza artificiale, in quanto consentono un’elaborazione delle informazioni molto più rapida ed efficace. Possiamo leggere i risultati del loro lavoro nell’ultima “Laser and Photonics Review”.
I cervelli dei mammiferi sono uno dei sistemi più complessi ed efficienti al mondo. Già negli anni ’90, gli scienziati di neurobiologia hanno dimostrato che una singola area della corteccia del macaco era in grado di analizzare e classificare i modelli visivi in soli 30 millisecondi, sebbene ciascuno dei neuroni coinvolti in questo processo invii meno di tre messaggi sotto forma di impulsi elettrici. Ciò è reso possibile da un gran numero di sinapsi – le connessioni tra i neuroni – nella rete neurale del cervello del macaco.
Il cervello umano è un pezzo di macchinario ancora più potente. È composto da 100 miliardi di neuroni, ognuno dei quali crea in media diverse migliaia di connessioni con altre cellule nervose. Questo crea una rete neurale di ca. 100 trilioni di connessioni, grazie alle quali il nostro cervello è in grado di riconoscere, ragionare e controllare il movimento allo stesso tempo: esegue trilioni di operazioni al secondo, utilizzando solo 20-25 watt di potenza. In confronto, i processori convenzionali utilizzano una potenza dieci volte superiore per riconoscere solo un migliaio di tipi diversi di oggetti. Questa straordinaria differenza e le eccezionali prestazioni del cervello sono dovute, tra le altre cose, alla biochimica dei neuroni, all’architettura delle connessioni neurali e alla biofisica degli algoritmi di calcolo neurale.
L’appetito della società per le informazioni è in costante crescita, quindi dobbiamo elaborare queste informazioni più velocemente e in modo più completo. I sistemi informatici convenzionali potrebbero non soddisfare la crescente domanda di maggiore potenza di calcolo aumentando al contempo l’efficienza energetica. La soluzione al problema potrebbero essere i cosiddetti dispositivi neuromorfici che imitano le azioni del cervello biologico. Sono il futuro dell’intelligenza artificiale, poiché consentono un’elaborazione delle informazioni molto più rapida ed efficace in attività come il riconoscimento delle immagini.
Scienziati della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia e dell’Accademia polacca delle scienze in un articolo pubblicato su “Laser and Photonics Review” hanno proposto l’uso dei fotoni in un modo che consente la creazione di reti neurali spiking. Krzysztof Tyszka della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia, che è il primo autore dell’opera, sottolinea che i sistemi fotonici garantiscono la comunicazione alla velocità della luce, basse perdite e basso consumo energetico. Il vantaggio dei fotoni è che la loro propagazione avviene praticamente senza perdita di energia. – Purtroppo, poiché interagiscono in modo relativamente debole, è difficile utilizzarli per eseguire operazioni di calcolo in modo analogo ai sistemi elettronici – aggiunge lo scienziato.
– Nella nostra ricerca proponiamo una soluzione in cui i fotoni interagiscono fortemente con particelle di massa molto bassa, dette eccitoni – spiega Barbara Pietka del Laboratorio Polaritone presso la Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia. Questa forte interazione è possibile quando i fotoni e gli eccitoni sono intrappolati insieme nelle cosiddette microcavità ottiche, che forzano lo scambio di energia ripetitivo tra di loro. Questo tipo di sinergia generata nella microcavità tra un fotone e un eccitone è così persistente che i fisici la chiamano quasi-particella e la chiamano polaritone di escissione (o polaritone in breve).
I polaritoni hanno proprietà uniche, specialmente nelle giuste condizioni possono mostrare una transizione di fase in un condensato di Bose-Einstein. In un tale stato, i polaritoni multipli precedentemente indipendenti diventano indistinguibili. – Sulla base del nostro ultimo esperimento, siamo stati i primi a notare che quando i polaritoni sono eccitati da impulsi laser, emettono impulsi luminosi in un modo che imita il picco dei neuroni biologici – descrive Magdalena Furman, Ph.D. studente coinvolto nella ricerca presso il Laboratorio Polariton presso la Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia, questo effetto è direttamente correlato al fenomeno di condensazione di Bose-Einstein, che inibisce o migliora l’emissione di impulsi.
Andrzej Opala dell’Istituto di fisica dell’Accademia polacca delle scienze, che insieme a Michal Matuszewski ha sviluppato le basi teoriche combinando la ricerca sui polaritoni con il modello LIF di un neurone (modello Leaky Integrate-and-Fire), aggiunge che ora il gruppo è lavorando per risolvere il problema della scalabilità, ovvero connettere molti neuroni in una rete. – Proponiamo di utilizzare un nuovo paradigma computazionale basato sulla codifica delle informazioni con impulsi che attivano un segnale solo quando arriva al neurone successivamente, al momento giusto – spiega il ricercatore. Attualmente le reti neurali utilizzano strati di neuroni interconnessi che innescano impulsi in base all’importanza assegnata a ciascuna connessione (nella descrizione matematica ci riferiamo ai “pesi”). Contrariamente a questo tipo di soluzione, nella rete neurale ottica sviluppata da ricercatori polacchi, descritta sulla rivista “Laser and Photonics Review”, i neuroni vengono attivati (cioè diventano attivi) in risposta a un treno di impulsi, che possono avere diversa intensità e diversi intervalli di tempo. Come con i neuroni biologici che sono eccitati da impulsi elettrici, esiste una certa soglia al di sopra della quale questo treno di impulsi che raggiunge il neurone attiva un segnale che verrà trasmesso. I polaritoni consentono di imitare un sistema biologico, perché solo la stimolazione con il numero appropriato di fotoni, al di sopra di una certa soglia, porta alla formazione del condensato di Bose-Einstein, e quindi all’emissione di un breve lampo in scala di picosecondi che è un segnale per il prossimo neurone. i neuroni vengono attivati (cioè diventano attivi) in risposta a un treno di impulsi, che possono avere diversa intensità e diversi intervalli di tempo. Come con i neuroni biologici che sono eccitati da impulsi elettrici, esiste una certa soglia al di sopra della quale questo treno di impulsi che raggiunge il neurone attiva un segnale che verrà trasmesso. I polaritoni consentono di imitare un sistema biologico, perché solo la stimolazione con il numero appropriato di fotoni, al di sopra di una certa soglia, porta alla formazione del condensato di Bose-Einstein, e quindi all’emissione di un breve lampo in scala di picosecondi che è un segnale per il prossimo neurone. i neuroni vengono attivati (cioè diventano attivi) in risposta a un treno di impulsi, che possono avere diversa intensità e diversi intervalli di tempo. Come con i neuroni biologici che sono eccitati da impulsi elettrici, esiste una certa soglia al di sopra della quale questo treno di impulsi che raggiunge il neurone attiva un segnale che verrà trasmesso. I polaritoni consentono di imitare un sistema biologico, perché solo la stimolazione con il numero appropriato di fotoni, al di sopra di una certa soglia, porta alla formazione del condensato di Bose-Einstein, e quindi all’emissione di un breve lampo in scala di picosecondi che è un segnale per il prossimo neurone. c’è una certa soglia al di sopra della quale questo treno di impulsi che raggiunge il neurone attiva un segnale che verrà trasmesso. I polaritoni consentono di imitare un sistema biologico, perché solo la stimolazione con il numero appropriato di fotoni, al di sopra di una certa soglia, porta alla formazione del condensato di Bose-Einstein, e quindi all’emissione di un breve lampo in scala di picosecondi che è un segnale per il prossimo neurone. c’è una certa soglia al di sopra della quale questo treno di impulsi che raggiunge il neurone attiva un segnale che verrà trasmesso. I polaritoni consentono di imitare un sistema biologico, perché solo la stimolazione con il numero appropriato di fotoni, al di sopra di una certa soglia, porta alla formazione del condensato di Bose-Einstein, e quindi all’emissione di un breve lampo in scala di picosecondi che è un segnale per il prossimo neurone.
È importante sottolineare che il campione, che è stato utilizzato dagli scienziati per intrappolare i fotoni e osservare il condensato dei polaritoni degli eccitoni, è stato sintetizzato in loco presso la Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia, nel gruppo di Wojciech Pacuski. Gli scienziati hanno disposto gli atomi di diversi tipi di cristalli semiconduttori strato per strato attraverso un’epitassia a fascio molecolare per creare un neurone fotonico prototipo. Per raggiungere lo stato di condensato di Bose-Einstein era necessaria una temperatura di 4K (l’elio liquido). – Il nostro ulteriore obiettivo è trasferire l’esperimento dalle condizioni criogeniche alla temperatura ambiente – afferma Jacek Szczytko della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia. – Sono necessarie ricerche su nuovi materiali che consentano di ottenere condensati di Bose-Einstein anche ad alte temperature. Affinché i neuroni fotonici si colleghino in rete, devono essere in grado di trasmettersi segnali. Idealmente, la direzione di trasmissione, ovvero lo schema elettrico, potrebbe essere facilmente modificata secondo necessità.
– Gli scienziati devono ancora affrontare nuove sfide nella loro ricerca sui sistemi neuromorfici. La nostra nuova idea per ricreare il picco di neuroni biologici nel dominio ottico può essere utilizzata per creare una rete e quindi un sistema neuromorfico in cui le informazioni vengono inviate per ordini di grandezza più velocemente e in modo più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alle soluzioni esistenti – conclude Krzysztof Tyszka.
Un team internazionale di scienziati ha condotto ricerche sostenute, tra l’altro, dal National Science Center (sovvenzioni 2020/37B/ST3/01657, 2020/04/X/ST7 01379, 2020/36/T/ST3/00417), Center for Atomic Molecular and Optical Physics e il programma dell’Unione Europea FET-Open Horizon 2020, concedono “TopoLight” (964770).
Fisica e astronomia all’Università di Varsavia apparvero nel 1816 come parte dell’allora Facoltà di Filosofia. Nel 1825 fu istituito l’Osservatorio Astronomico. Attualmente, la Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia è composta dai seguenti istituti: Fisica Sperimentale, Fisica Teorica, Geofisica, il Dipartimento di Metodi Matematici in Fisica e l’Osservatorio Astronomico. La ricerca copre quasi tutte le aree della fisica moderna, su scale da quantistica a cosmologica. Il corpo docente e ricercatore della Facoltà è composto da oltre 200 docenti accademici, di cui 81 docenti. Circa 1.000 studenti e oltre 170 dottorandi studiano presso la Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia.
