Naukowcy z polskiego zespołu pokazali już pierwsze eksperymentalne zastosowania pomysłu, udowadniając możliwości przetwarzania skomplikowanych sygnałów całkowicie na drodze optycznej.

To, w jaki sposób badany przez nich materiał emitował światło, pozwoliło już choćby klasyfikować dwuwymiarowe obrazy albo mierzyć koincydencję impulsów światła na wzór tego, jak mózg sowy rozpoznaje źródło dźwięku. A to tylko pierwsze pomysły na zastosowania. Badania ukazały się w prestiżowym czasopiśmie Advanced Materials.

ZERA I JEDYNKI TO DOPIERO POCZĄTEK

Przyzwyczailiśmy się, że w urządzeniach elektronicznych, które nas otaczają, stosowane są operacje binarne. Dane zapisywane są w postaci ciągów zer i jedynek. Nie jesteśmy jednak na zawsze skazani na taki cyfrowy świat.

Z obserwacji przyrody wiemy, że informacje można też przetwarzać na inne sposoby – niekoniecznie używając liczb jako miary wszechrzeczy. I tak neurony reagują dopiero na bodźce o określonej intensywności, a od tego zależy, czy neuron prześle informację dalej, aby wywołać dalszą reakcję.

Dodatkowo, szereg procesów zachodzących w neuronach i synapsach odpowiada za zdolności adaptacyjne i interpretację bodźców, przeprogramowanie sieci neuronowych i naukę, a także za pamięć krótko- i długotrwałą.

Znamienne jest również to, że im bardziej intensywny bodziec (np. głośny dźwięk, mocny dotyk), tym częściej pobudzany jest neuron.

„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 (INTiBS PAN).

Tzw. obliczenia neuromorficzne i rezerwuarowe - naśladujące sposób przetwarzania informacji w układzie nerwowym - mogą więc bazować na przeliczaniu pewnych miar na inne, bez użycia liczb.

"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 (UMK) w Toruniu.

CO TAM ŚWIECI

I tak na nowy pomysł, jak można by było przeprowadzać obliczenia neuromorficzne, wpadł zespół prof. Artura Bednarkiewicza - przy okazji prac nad materiałami luminescencyjnymi, w których zachodzi lawinowa emisja fotonów.

Naukowiec wyjaśnia, że chodzi o nietypowe właściwości nanokryształów fluorków sodowo-litowych domieszkowanych w umiejętny sposób za pomocą jonów ziem rzadkich (np. jonów tulu). Materiały takie były wykorzystywane dotychczas w budowie laserów lub choćby przy budowie starych kineskopów. W ostatnich latach ukazała się również praca z udziałem grupy prof. Bednarkiewicza, w której te same nanomateriały wykorzystano do obrazowania mikroskopowego z rozdzielczością poniżej limitu dyfrakcji światła (pisaliśmy o tym już tutaj).

LAWINA FOTONÓW

W tradycyjnych materiałach luminescencyjnych niewielki sygnał - np. delikatny błysk światła - pobudza materiał tak, że zaczyna on świecić niemal natychmiast po wzbudzeniu. 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.

Dodatkowo świecenie pobudzonego impulsami materiału ma swoją dynamikę: intensywność świecenia zależy na przykład od tego, jakie są odstępy w czasie między kolejnymi, identycznymi impulsami pobudzenia.

Opisane nietypowe właściwości przypominają swoim zachowaniem pracę synaps - zakończeń komórek nerwowych, a zaproponowane analogie można wykorzystać do optycznego wzmocnienia, całkowicie optycznego przetwarzania sygnałów i przechowywania informacji.

BEZ ZASILANIA

Co ciekawe, dane wejściowe i wyjściowe są strumieniami fotonów. Dzięki temu otwierają się nowe i do tej pory rzadko badane możliwości.

Nieliniowe materiały luminescencyjne dają o tyle unikalne możliwości, że do przetwarzania danych i generacji fotonów wykorzystują jedynie energię zawartą w samych bodźcach – są to również strumienie fotonów. Można więc sobie wyobrazić, że urządzenia na bazie materiałów luminescencyjnych przetwarzałyby informacje (np. interpretowały obraz) bez zewnętrznego zasilania. Ponieważ opracowane lawinowe synapsy są wielkości około 20 nanometrów (milion nanometrów to jeden milimetr) i przetwarzają skomplikowane dane na drodze optycznej, można również przewidywać opracowanie trójwymiarowych – wolumetrycznych procesorów optycznych.

Współpracownicy prof. Bednarkiewicza z USA zademonstrowali również niedawno (i opisali w Nature) możliwość trwałego przechowywania informacji za pomocą nanokryształów lawinowych. To zupełnie inna perspektywa niż w przypadku powszechnie stosowanych systemów liczących – sztucznej inteligencji, gdzie przetwarzanie danych lub obrazów wymaga dużego nakładu energii na zasilenie i chłodzenie procesorów, czasochłonnego uczenia i skomplikowanych baz danych oraz olbrzymich zasobów pamięci.

NANOKRYSZTAŁY JUŻ LICZĄ

Działanie nowego podejścia do obliczeń zademonstrowano w prototypowych rozwiązaniach. W jednym z doświadczeń "skanowano" obraz cyfr arabskich, a jasność pikseli przekładała się na intensywność pobudzenia lawinowych synaps. Sposób, w jaki materiał reagował przy wyświetlaniu każdej z cyfr był na tyle unikalny, że udało się poszczególne cyfry w sposób jednoznaczny zidentyfikować na drodze optycznej bez użycia skomplikowanych sieci neuronowych.

Ponadto, dzięki unikalnym właściwościom materiału dało się też odwzorować w obliczeniach fotonicznych procesy, które zachodzą w obszarze Nucleus Laminaris mózgu sowy. Ośrodek ten odpowiada za zdolność ‘pomiaru’ różnicy faz fali dźwiękowej, która dociera do jednego i do drugiego ucha ptaka, a tym samym pozwala zwierzęciu ocenić, skąd dobiega dźwięk.

Analogiczne zachowanie udało się zasymulować z wykorzystaniem lawinowej synapsy - dzięki materiałom luminescencyjnym udało się w ustalić różnice faz między dwoma impulsami światła - a dzięki temu mierzyć ich koincydencję.

"Na razie największym wyzwaniem jest to, jak wynik obliczeń naszej pojedynczej synapsy lawinowej przekazać do dalszego przetwarzania oraz jak zwiększyć ilość równolegle prowadzonych operacji. To jednak dopiero początek prac nad tym pomysłem" - komentuje prof. Bednarkiewicz.

SZYBKO, ALE PO KOLEI VS. POWOLI, ALE RÓWNOLEGLE

"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. Mimo, że zachowanie pojedynczych neuronów jest stosunkowo powolne (np. mikrosekundy), to operacje te prowadzone są równolegle w wielu miejscach. A dzięki temu jesteśmy na przykład w stanie równocześnie kierować autem, obserwować znaki, analizować i reagować na sytuację na drodze, słuchać i rozmawiać ze współpasażerami - możliwości naszego mózgu robią więc olbrzymie wrażenie.

"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.

W badaniach poza prof. Bednarkiewiczem i dr. Szalkowskim brały udział doktorantki: Martyna Majak i Zuzanna Korczak, dr Małgorzata Misiak z INTiBS PAN oraz prof. Sebastian Maćkowski z UMK w Toruniu.

Badania były finansowane z grantu Narodowego Centrum Nauki (2021/43/B/ST5/01244).

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ bar/