Des scientifiques de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie et de l’Académie polonaise des sciences ont utilisé des photons pour créer un neurone à pointes, l’élément de base du futur processeur de réseau de neurones photoniques. Les résultats de leurs travaux sont publiés dans les dernières Examen du laser et de la photonique.
Les dispositifs neuromorphiques (systèmes qui imitent le comportement du cerveau biologique) sont l’avenir de l’intelligence artificielle, car ils permettent un traitement de l’information beaucoup plus rapide et plus efficace.
Le cerveau des mammifères est l’un des systèmes les plus complexes et les plus efficaces au monde. Dans les années 1990, des neurobiologistes ont montré qu’une seule zone du cortex du macaque était capable d’analyser et de classer les schémas visuels en seulement 30 millisecondes, bien que chacun des neurones impliqués dans ce processus envoie moins de trois messages sous forme d’impulsions électriques. Ceci est rendu possible par un grand nombre de synapses – les connexions entre les neurones – dans le réseau neuronal du cerveau du macaque.
Le cerveau humain est un élément d’une machinerie encore plus puissante. Il est composé de 100 milliards de neurones, chacun créant en moyenne plusieurs milliers de connexions avec d’autres cellules nerveuses. Cela crée un réseau neuronal d’environ 100 billions de connexions, grâce auquel notre cerveau est capable de reconnaître, de raisonner et de contrôler le mouvement en même temps – il effectue des billions d’opérations par seconde, en utilisant seulement 20 à 25 watts de puissance.
En comparaison, les processeurs conventionnels utilisent dix fois plus de puissance pour reconnaître seulement un millier de types d’objets différents. Cette différence étonnante et les performances exceptionnelles du cerveau sont dues, entre autres, à la biochimie des neurones, à l’architecture des connexions neuronales et à la biophysique des algorithmes de calcul neuronal.
L’appétit de la société pour l’information ne cesse de croître, nous devons donc traiter cette information plus rapidement et de manière plus complète. Les systèmes informatiques conventionnels peuvent ne pas répondre à la demande croissante de plus de puissance de calcul tout en augmentant l’efficacité énergétique. La solution au problème peut être des dispositifs neuromorphiques qui imitent les actions du cerveau biologique. Ils sont l’avenir de l’intelligence artificielle, car ils permettent un traitement beaucoup plus rapide et efficace des informations dans des tâches telles que la reconnaissance d’images.
Des scientifiques de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie et de l’Académie polonaise des sciences ont proposé l’utilisation des photons d’une manière qui permet la création de réseaux de neurones à pointes. Krzysztof Tyszka de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie, qui est le premier auteur de l’ouvrage, souligne que les systèmes photoniques assurent une communication à la vitesse de la lumière, de faibles pertes et une faible consommation d’énergie.
« L’avantage des photons est que leur propagation se fait pratiquement sans perte d’énergie. Malheureusement, parce qu’ils interagissent de manière relativement faible, il est difficile de les utiliser pour effectuer des opérations de calcul d’une manière analogue aux systèmes électroniques », explique le scientifique.
« Dans nos recherches, nous proposons une solution dans laquelle les photons interagissent fortement avec des particules de très faible masse, appelées excitons », explique Barbara Pietka du Laboratoire Polariton de la Faculté de Physique de l’Université de Varsovie.
« Cette forte interaction est possible lorsque les photons et les excitons sont piégés ensemble dans les microcavités dites optiques, ce qui force des échanges d’énergie répétitifs entre eux. Ce type de synergie générée dans la microcavité entre un photon et un exciton est si persistante que les physiciens appellent en faire une quasi-particule et l’appeler excision-polariton (ou polariton en abrégé). »
Les polaritons ont des propriétés uniques, en particulier dans les bonnes conditions, ils peuvent montrer une transition de phase dans un condensat de Bose-Einstein. Dans un tel état, les polaritons multiples auparavant indépendants deviennent indiscernables.
« Sur la base de notre dernière expérience, nous avons été les premiers à remarquer que lorsque les polaritons sont excités par des impulsions laser, ils émettent des impulsions lumineuses d’une manière qui imite le pic des neurones biologiques », explique Magdalena Furman, Ph.D. étudiant impliqué dans la recherche au Laboratoire Polariton de la Faculté de Physique de l’Université de Varsovie, Cet effet est directement lié au phénomène de condensation de Bose-Einstein, qui inhibe ou améliore l’émission d’impulsions.
Andrzej Opala de l’Institut de physique de l’Académie polonaise des sciences, qui a développé avec Michal Matuszewski les fondements théoriques combinant la recherche sur les polaritons avec le modèle LIF d’un neurone (modèle Leaky Integrate-and-Fire), ajoute que maintenant le groupe est travailler sur la résolution du problème de scalabilité, c’est-à-dire connecter de nombreux neurones en un réseau.
« Nous proposons d’utiliser un nouveau paradigme de calcul basé sur le codage de l’information avec des impulsions qui déclenchent un signal uniquement lorsqu’il arrive successivement au neurone, au bon moment », explique le chercheur.
Actuellement, les réseaux de neurones utilisent des couches de neurones interconnectés qui déclenchent des impulsions en fonction de l’importance attribuée à chaque connexion (dans la description mathématique, nous parlons de « poids »). Contrairement à ce type de solution, dans le réseau de neurones optiques décrit dans Examen du laser et de la photoniqueles neurones sont déclenchés (c’est-à-dire deviennent actifs) en réponse à un train d’impulsions, qui peuvent avoir une intensité différente et des intervalles de temps différents.
Comme pour les neurones biologiques qui sont excités par des impulsions électriques, il existe un certain seuil au-dessus duquel ce train d’impulsions atteignant le neurone déclenche un signal qui sera transmis. Les polaritons permettent d’imiter un système biologique, car seule une stimulation avec le nombre approprié de photons, au-delà d’un certain seuil, conduit à la formation de condensat de Bose-Einstein, puis à l’émission d’un flash court à l’échelle des picosecondes qui est un signal pour le prochain neurone.
Fait important, l’échantillon, qui a été utilisé par les scientifiques pour piéger les photons et observer le condensat des polaritons d’excitons, a été synthétisé sur place à la Faculté de physique de l’Université de Varsovie, dans le groupe de Wojciech Pacuski. Les scientifiques ont arrangé les atomes de différents types de cristaux semi-conducteurs couche par couche à travers une épitaxie par faisceau moléculaire pour créer un neurone photonique prototype. Une température de 4K était nécessaire pour atteindre l’état de condensat de Bose-Einstein.
« Notre objectif supplémentaire est de transférer l’expérience des conditions cryogéniques à la température ambiante », déclare Jacek Szczytko de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie. « Des recherches sont nécessaires sur de nouveaux matériaux qui permettront d’obtenir des condensats de Bose-Einstein également à des températures élevées. Pour que les neurones photoniques se mettent en réseau, ils doivent être capables de se transmettre des signaux. Idéalement, le sens de transmission, c’est-à-dire le schéma de câblage, peut être facilement changé au besoin. »
« Les scientifiques sont toujours confrontés à de nouveaux défis dans leurs recherches sur les systèmes neuromorphiques. Notre nouvelle idée de recréer le pic des neurones biologiques dans le domaine optique peut être utilisée pour créer un réseau, puis un système neuromorphique dans lequel les informations sont envoyées par des ordres de grandeur plus rapidement. et de manière plus économe en énergie par rapport aux solutions existantes », conclut Krzysztof Tyszka.
Krzysztof Tyszka et al, Leaky Integrate-and-Fire Mechanism in Exciton–Polariton Condensates for Photonic Spiking Neurons, Avis sur le laser et la photonique (2022). DOI : 10.1002/lpor.202100660