Ein künstliches Polariton-Neuron als Schritt hin zu einem photonischen System, das die Funktionsweise des menschlichen Gehirns nachahmt

Wissenschaftler der Fakultät für Physik der Universität Warschau und der Polnischen Akademie der Wissenschaften verwendeten Photonen, um ein Spiking-Neuron zu erzeugen, das Grundelement des zukünftigen photonischen neuronalen Netzwerkprozessors. Die Ergebnisse ihrer Arbeit werden in der neuesten veröffentlicht Laser- und Photonik-Überprüfung.

Neuromorphe Geräte (Systeme, die das Verhalten des biologischen Gehirns nachahmen) sind die Zukunft der künstlichen Intelligenz, da sie eine viel schnellere und effektivere Informationsverarbeitung ermöglichen.

Das Gehirn von Säugetieren ist eines der komplexesten und effizientesten Systeme der Welt. In den 1990er Jahren zeigten Neurobiologen, dass ein einziger Bereich des Makakenkortex visuelle Muster in nur 30 Millisekunden analysieren und klassifizieren konnte, obwohl jedes der an diesem Prozess beteiligten Neuronen weniger als drei Nachrichten in Form von elektrischen Impulsen sendet. Möglich wird dies durch eine Vielzahl von Synapsen – den Verbindungen zwischen Neuronen – im neuronalen Netzwerk des Makakengehirns.

Das menschliche Gehirn ist ein Teil einer noch mächtigeren Maschinerie. Es besteht aus 100 Milliarden Neuronen, von denen jede durchschnittlich mehrere tausend Verbindungen zu anderen Nervenzellen herstellt. Dadurch entsteht ein neuronales Netzwerk aus ungefähr 100 Billionen Verbindungen, dank dessen unser Gehirn in der Lage ist, Bewegungen gleichzeitig zu erkennen, zu folgern und zu steuern – es führt Billionen von Operationen pro Sekunde aus und verbraucht dabei nur 20–25 Watt Leistung.

Herkömmliche Prozessoren verbrauchen im Vergleich dazu zehnmal so viel Leistung, um nur tausend verschiedene Arten von Objekten zu erkennen. Dieser erstaunliche Unterschied und die außergewöhnliche Leistung des Gehirns sind unter anderem auf die Biochemie von Neuronen, die Architektur neuronaler Verbindungen und die Biophysik neuronaler Rechenalgorithmen zurückzuführen.

Der Informationshunger der Gesellschaft wächst stetig, daher müssen wir diese Informationen schneller und umfassender verarbeiten. Herkömmliche Computersysteme können die wachsende Nachfrage nach mehr Rechenleistung bei gleichzeitiger Steigerung der Energieeffizienz möglicherweise nicht erfüllen. Die Lösung des Problems könnten neuromorphe Geräte sein, die die Aktionen des biologischen Gehirns nachahmen. Sie sind die Zukunft der künstlichen Intelligenz, da sie eine viel schnellere und effektivere Verarbeitung von Informationen bei Aufgaben wie der Bilderkennung ermöglichen.

Wissenschaftler der Fakultät für Physik der Universität Warschau und der Polnischen Akademie der Wissenschaften schlugen die Verwendung von Photonen auf eine Weise vor, die die Schaffung von Spiking-Neuronalnetzwerken ermöglicht. Krzysztof Tyszka von der Fakultät für Physik der Universität Warschau, der Erstautor der Arbeit, betont, dass photonische Systeme eine Kommunikation mit Lichtgeschwindigkeit, geringe Verluste und einen geringen Energieverbrauch gewährleisten.

„Der Vorteil von Photonen ist, dass ihre Ausbreitung praktisch ohne Energieverlust erfolgt. Da sie aber relativ schwach wechselwirken, lassen sich mit ihnen leider nur schwer Rechenoperationen analog zu elektronischen Systemen durchführen“, sagt der Wissenschaftler.

„In unserer Forschung schlagen wir eine Lösung vor, bei der Photonen stark mit Teilchen sehr geringer Masse, Exzitonen genannt, wechselwirken“, erklärt Barbara Pietka vom Polariton Laboratory an der Fakultät für Physik der Universität Warschau.

„Diese starke Wechselwirkung ist möglich, wenn die Photonen und Exzitonen zusammen in den sogenannten optischen Mikrokavitäten gefangen sind, was einen wiederholten Energieaustausch zwischen ihnen erzwingt. Diese Art von Synergie, die in der Mikrokavität zwischen einem Photon und einem Exziton erzeugt wird, ist so hartnäckig, dass Physiker anrufen es ist ein Quasi-Teilchen und bezeichnet es als Exzisions-Polariton (oder kurz Polariton).“

Polaritonen haben einzigartige Eigenschaften, insbesondere können sie unter den richtigen Bedingungen einen Phasenübergang in ein Bose-Einstein-Kondensat zeigen. In einem solchen Zustand werden die zuvor unabhängigen multiplen Polaritonen ununterscheidbar.

„Basierend auf unserem letzten Experiment waren wir die ersten, die bemerkten, dass Polaritonen, wenn sie durch Laserpulse angeregt werden, Lichtpulse auf eine Weise aussenden, die das Spiking biologischer Neuronen nachahmt“, erklärt Magdalena Furman, Ph.D. Student, der am Polariton-Labor der Fakultät für Physik der Universität Warschau forscht. Dieser Effekt steht in direktem Zusammenhang mit dem Phänomen der Bose-Einstein-Kondensation, das die Emission von Impulsen entweder hemmt oder verstärkt.

Andrzej Opala vom Institut für Physik der Polnischen Akademie der Wissenschaften, der zusammen mit Michal Matuszewski die theoretischen Grundlagen entwickelt hat, um die Forschung an Polaritonen mit dem LIF-Modell eines Neurons (Leaky Integrate-and-Fire-Modell) zu kombinieren, fügt hinzu, dass die Gruppe es jetzt ist arbeiten an der Lösung des Problems der Skalierbarkeit, dh der Verbindung vieler Neuronen zu einem Netzwerk.

„Wir schlagen vor, ein neues Rechenparadigma zu verwenden, das darauf basiert, Informationen mit Impulsen zu codieren, die ein Signal nur dann auslösen, wenn es nacheinander zum richtigen Zeitpunkt am Neuron ankommt“, erklärt der Forscher.

Derzeit verwenden neuronale Netze Schichten miteinander verbundener Neuronen, die Impulse basierend auf der Bedeutung auslösen, die jeder Verbindung zugewiesen wird (in der mathematischen Beschreibung beziehen wir uns auf „Gewichte“). Im Gegensatz zu dieser Art von Lösung, in dem optischen neuronalen Netzwerk, beschrieben in Laser- und Photonik-Überprüfungwerden die Neuronen als Reaktion auf eine Impulsfolge getriggert (dh aktiv), die unterschiedliche Intensität und unterschiedliche Zeitintervalle haben kann.

Wie bei biologischen Neuronen, die durch elektrische Impulse angeregt werden, gibt es eine bestimmte Schwelle, ab der diese Impulsfolge, die das Neuron erreicht, ein Signal auslöst, das weitergeleitet wird. Polaritonen ermöglichen die Nachahmung eines biologischen Systems, denn nur die Anregung mit der entsprechenden Anzahl von Photonen führt oberhalb einer bestimmten Schwelle zur Bildung von Bose-Einstein-Kondensat und anschließender Emission eines kurzen Blitzes im Pikosekundenbereich, der ein Signal dafür ist das nächste Neuron.

Wichtig ist, dass die Probe, die von Wissenschaftlern zum Einfangen von Photonen und zum Beobachten von Exzitonen-Polaritonen-Kondensat verwendet wurde, vor Ort an der Fakultät für Physik der Universität Warschau in der Gruppe von Wojciech Pacuski synthetisiert wurde. Die Wissenschaftler ordneten die Atome verschiedener Arten von Halbleiterkristallen Schicht für Schicht durch eine Molekularstrahlepitaxie an, um ein prototypisches photonisches Neuron zu erzeugen. Um den Bose-Einstein-Kondensatzustand zu erreichen, war eine Temperatur von 4 K erforderlich.

„Unser weiteres Ziel ist es, das Experiment von kryogenen Bedingungen auf Raumtemperatur zu übertragen“, sagt Jacek Szczytko von der Fakultät für Physik der Universität Warschau. „Es muss an neuen Materialien geforscht werden, mit denen Bose-Einstein-Kondensate auch bei hohen Temperaturen gewonnen werden können. Damit sich photonische Neuronen vernetzen können, müssen sie Signale untereinander übertragen können. Idealerweise sollte die Übertragungsrichtung, also das Schaltbild, kann bei Bedarf leicht geändert werden.“

„Wissenschaftler stehen bei ihrer Erforschung neuromorpher Systeme immer noch vor neuen Herausforderungen. Unsere neue Idee, das Spiking biologischer Neuronen im optischen Bereich nachzubilden, kann verwendet werden, um ein Netzwerk und dann ein neuromorphes System zu schaffen, in dem Informationen um Größenordnungen schneller gesendet werden und im Vergleich zu bestehenden Lösungen energieeffizienter“, schließt Krzysztof Tyszka.