Polski neuron z fotonów - przełom w układach AI
Rozwój sztucznej inteligencji napotyka na twarde bariery fizyczne. Rosnące zapotrzebowanie serwerowni na energię oraz ograniczenia cieplne procesorów krzemowych wymuszają poszukiwanie zupełnie nowych dróg rozwoju. Przyszłość zaawansowanych obliczeń nie zależy od dotacji czy politycznych haseł, lecz od twardych odkryć w laboratoriach fizyki. Polscy badacze z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk dokonali osiągnięcia, które może zrewolucjonizować architekturę maszyn cyfrowych. Zbudowali pulsujący neuron z fotonów. Ten fundamentalny element optycznego procesora otwiera drogę do budowy układów neuromorficznych o niespotykanej dotąd sprawności energetycznej. Bariery krzemu i fizyka fotonów Elektronika półprzewodnikowa zbliża się do kresu skalowalności. Przesyłanie ładunków elektrycznych przez miedziane i krzemowe ścieżki wiąże się ze stratami omowymi, a co za tym idzie, z emisją ciepła odpadowego. Zjawisko to drenuje zasoby energii nowoczesnych przedsiębiorstw i wymusza kosztowne instalacje chłodnicze. Odpowiedzią na ten problem od dawna miała być fotonika. Zastosowanie fotonów pozwala na przesyłanie informacji z prędkością światła przy znikomym poborze prądu. Fotonika miała jednak wadę: cząstki światła w normalnych warunkach niemal nie oddziałują ze sobą. Dwa promienie przecinają się bez żadnego wpływu na swój tor, co wykluczało realizację nieliniowych operacji logicznych, niezbędnych do procesowania danych. Aby zmusić światło do wzajemnej interakcji, warszawscy fizycy sięgnęli po zjawiska kwantowe. Wykorzystano ekscytony, czyli powiązane pary elektron-dziura o znikomej masie, charakteryzujące się silnym sprzężeniem ze światłem. Kwazicząstki i kondensat Bosego-Einsteina Umieszczenie fotonów i ekscytonów we wnęce optycznej doprowadziło do trwałej wymiany energii. Tak powstała kwazicząstka hybrydowa, czyli polaryton optyczny. Obiekt ten łączy najlepsze cechy obu światów: porusza się z zawrotną prędkością fotonu, zachowując zdolność do silnych oddziaływań właściwą cząstkom materii. W odpowiednio przygotowanym środowisku polarytony mogą wejść w stan kwantowy znany jako kondensat Bosego-Einsteina. Materia zachowuje się wówczas jak superatom, w którym cząstki działają synchronicznie. Eksperymenty laboratoryjne wykazały, że polarytony poddane wzbudzeniu ultrakrótkimi impulsami laserowymi emitują światło w sposób skokowy, przypominający aktywność neuronów biologicznych. Zjawisko kondensacji kwantowej decyduje o tym, czy emisja impulsu zostanie stłumiona, czy wzmocniona. Jak podkreśla doktorantka Magdalena Furman z Wydziału Fizyki UW, powiązanie kondensacji z impulsowaniem pozwala odtworzyć dynamikę komórki nerwowej w domenie światła. Biologiczny paradygmat obliczeń impulsowych Istotą układów neuromorficznych jest zerwanie z rozdzieleniem procesora i pamięci. W biologii komórka nerwowa przetwarza dane w sposób asynchroniczny i progowy. Podstawy teoretyczne dla warszawskiego eksperymentu opracowali doktor Andrzej Opala oraz profesor Michał Matuszewski. Model zakłada kodowanie danych za pomocą impulsów świetlnych, które wywołują odpowiedź tylko wtedy, gdy dotrą do neuronu w określonym czasie po sobie. W neuronie biologicznym przekazanie sygnału następuje po przekroczeniu progu pobudzenia elektrycznego. W układzie polarytonowym sygnał optyczny zostaje wyemitowany dopiero wówczas, gdy liczba fotonów wystarczy do zainicjowania kondensacji Bosego-Einsteina. Taki procesor neuromorficzny operuje na zjawiskach progowych, eliminując konieczność ciągłego zasilania obwodów w stanie spoczynku. Oznacza to ogromny krok w kierunku budowy maszyn liczących zużywających ułamek energii pobieranej przez dzisiejsze układy krzemowe. Wyzwania inżynieryjne: wyjście z kriogeniki Choć sukces polskich fizyków ma wymiar fundamentalny, wdrożenie wymaga pokonania barier inżynieryjnych. Dotychczasowy eksperyment wymagał schłodzenia aparatury do temperatury 4 kelwinów, czyli minus 269 stopni Celsjusza, co uzyskano przy użyciu ciekłego helu. Warunki kriogeniczne wykluczają zastosowanie takich chipów w urządzeniach powszechnego użytku czy standardowych centrach danych. Praca w temperaturze pokojowej to cel kolejnego etapu badań. Zespół pod kierunkiem profesora Jacka Szczytko poszukuje nowych materiałów pozwalających utrzymać kondensat polarytonowy w wyższych temperaturach. Dodatkowym zadaniem jest opracowanie precyzyjnych metod sterowania kierunkiem emisji generowanych fotonów. Rzetelne badania materiałowe wymagają czasu i dyscypliny laboratoryjnej, lecz tylko one pozwalają przekształcić teorię w patenty. Gospodarczy realizm i technologiczna niezależność Sztuczna inteligencja staje się fundamentem nowoczesnej gospodarki, jednak jej rozwój hamują niedobory mocy w sieciach energetycznych. Rozbudowa sieci pod energochłonne serwerownie to ślepy zaułek. Nowe technologie, takie jak optyczne układy neuromorficzne, oferują szansę na przełamanie impasu poprzez radykalne zwiększenie sprawności obliczeniowej. Jak zauważa doktor Krzysztof Tyszka, stworzenie sieci sztucznych neuronów z fotonów pozwoli przesyłać dane o rzędy wielkości szybciej i przy ułamku poboru prądu. Osiągnięcie to dowodzi, że polska nauka oparta na faktach i dyscyplinie fizycznej potrafi wyznaczać realistyczne kierunki rozwoju. Odrzucenie mrzonek o prostych rozwiązaniach na rzecz pogłębionych badań kwantowych buduje trwałą pozycję na wolnym rynku technologicznym.
