Moi drodzy, czy słyszeliście kiedyś o kryształach czasowych? Brzmi jak coś wyjęte z filmu science fiction, prawda? A jednak to rzeczywistość, która może zrewolucjonizować fizykę i technologię, otwierając nowe możliwości dla komputerów kwantowych. Wyobraźcie sobie strukturę, która cyklicznie zmienia się w czasie, nawet bez dostarczania energii z zewnątrz. Brzmi jak magia, ale jest to nauka w najlepszym wydaniu – a co więcej, stoi za tym Polak, profesor Krzysztof Sacha z Uniwersytetu Jagiellońskiego. Jego przełomowe badania zostały nagrodzone prestiżową Nagrodą Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej, często nazywaną „Polskim Noblem”.
Nie mniej fascynujący jest drugi temat, który ostatnio pochłonął moją uwagę – neurony fotoniczne. To technologia, która może przyspieszyć działanie systemów AI, zamieniając prąd elektryczny na światło jako nośnik informacji. Wyobraźcie sobie obliczenia z prędkością światła, przy minimalnym zużyciu energii, otwierające drogę do bardziej efektywnych i ekologicznych systemów. To jak nadanie sztucznej inteligencji skrzydeł (lub dobrego turbo).
Obie te technologie, choć odrębne, mają jeden wspólny cel – uczynić systemy obliczeniowe bardziej wydajnymi, stabilnymi i gotowymi na przyszłość. I tu wracamy do roli Polaków. Oprócz profesora Sachy, jego podopieczny, dr Krzysztof Giergiel, również zdobył międzynarodowe uznanie za badania nad kryształami czasowymi. Warto o tych panach i ich zespołach pamiętać. „Coś mi się widzi”, że jeszcze o nich usłyszymy!
A teraz wyobraźcie sobie, co by się stało, gdyby połączyć te dwa światy – kryształy czasowe i neurony fotoniczne. Może narodzić się coś, co naukowcy już teraz nazywają czasotroniką – nową dziedziną nauki i technologii, która może zmienić sposób, w jaki postrzegamy sztuczną inteligencję i technologię w ogóle.
Spróbujmy razem zgłębić te intrygujące zagadnienia!
Zastanawialiście się, jak można przyspieszyć działanie sztucznej inteligencji, czyniąc ją jednocześnie bardziej efektywną energetycznie? Odpowiedzią mogą być neurony fotoniczne – innowacyjne rozwiązanie, które może zrewolucjonizować przyszłość technologii.
Neurony fotoniczne to sztuczne odpowiedniki biologicznych neuronów, które wykorzystują światło (fotonikę) do przetwarzania i przesyłania informacji. W przeciwieństwie do tradycyjnych układów elektronicznych, które bazują na przepływie elektronów, neurony fotoniczne operują na fotonach, co pozwala na osiągnięcie znacznie wyższych prędkości transmisji danych przy jednoczesnym obniżeniu zużycia energii.
Niezwykle inspirujące jest to, że polscy naukowcy odgrywają kluczową rolę w tej dziedzinie. Zespół z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz Instytutu Fizyki PAN opracował fotoniczny sztuczny neuron, który naśladuje działanie ludzkiego mózgu. Badacze wykorzystali zjawisko kondensacji Bosego-Einsteina polarytonów – kwazicząstek powstałych z połączenia fotonów i ekscytonów – aby stworzyć układ zdolny do emitowania impulsów światła przypominających pulsowanie neuronów biologicznych.
Zastanawiacie się, co to za kondensacja Bosego-Einsteina polarytonów, coś tam?
No właśnie, ja też! Ale spokojnie, okazuje się, że to wcale nie jest jakiś tajemny składnik gumisiowego soku, a zjawisko, które fizycy dobrze znają i uwielbiają (bez komentarza). Kondensacja Bosego-Einsteina to stan materii, w którym cząstki zwane bozonami „dogadują się” tak dobrze, że zaczynają zachowywać się jak jedna, gigantyczna cząstka. To coś jak synchronizacja w tańcu – wszyscy poruszają się w idealnym rytmie.
A co z polarytonami? To takie sprytne kwazicząstki, które powstają, gdy światło (foton) zaczyna „tańczyć” z materią, konkretnie z ekscytonami, czyli parą elektron-dziura w półprzewodniku. I właśnie te polarytony, dzięki kondensacji, mogą tworzyć struktury zdolne do emitowania impulsów światła przypominających aktywność neuronów biologicznych.
Brzmi kosmicznie? Może trochę, ale to dzięki takim zjawiskom powstają technologie, które kiedyś wydawały się niemożliwe.
Dr Krzysztof Tyszka z Wydziału Fizyki UW podkreśla, że systemy fotoniczne zapewniają komunikację z prędkością światła, niskie straty i niskie zużycie energii. Porównując pojedyncze neurony biologiczne i fotoniczne, stwierdza, że te opracowane przez jego zespół są znacznie szybsze.
Dodam od siebie, że gdy o tym usłyszałem to pojawiła mi się w głowie koncepcja: splątanie kwantowe neuronów fotonicznych – nie byłem pierwszy (sic!). Okazuje się, że rozważania nad splątaniem kwantowym neuronów fotonicznych nie są jedynie futurystyczną wizją. Już teraz prowadzone są badania, które mają na celu lepsze zrozumienie mechanizmów splątania w systemach fotonicznych. Naukowcy z czołowych ośrodków badawczych, takich jak MIT czy Max Planck Institute, eksperymentują z różnymi konfiguracjami optycznymi, które mogłyby umożliwić kwantowe połączenia między neuronami fotonicznymi. Tego rodzaju systemy mogłyby w przyszłości znaleźć zastosowanie w ultraszybkich sieciach neuronowych, otwierając drzwi do nowej generacji sztucznej inteligencji i komunikacji.
Wykorzystanie neuronów fotonicznych otwiera nowe możliwości w dziedzinigencji i technologii neuromorficznych. Dzięki nim możliwe będzie tworzenie układów naśladujących ludzki mózg, zdolnych do przetwarzania informacji z prędkością światła i minimalnym zużyciem energii. To z kolei może przyczynić się do rozwoju bardziej zaawansowanych i efektywnych systemów AI, zdolnych do wykonywania skomplikowanych zadań w ułamku sekundy.
Teraz wyjaśnienie tych dziwacznych słów: „dziedzingencja” i „neuromorizm”. No dobra, zanim pomyślicie, że wymyślam jakieś neologizmy godne science fiction, szybko wyjaśniam. „Dziedzingencja” to nic innego jak moja próba oddania polskiego tłumaczenia angielskiego „emergence” – zjawiska, w którym całość jest czymś więcej niż sumą swoich części. Przykład? Wyobraźcie sobie, że mamy mnóstwo pojedynczych neuronów – takich biologicznych albo sztucznych, fotonicznych – a one nagle zaczynają razem „myśleć” i rozwiązywać problemy, choć żadna pojedyncza część tego nie potrafi.
A „neuromorizm”? To już trochę bardziej skomplikowane. Neuromoryzm, zwany również technologią neuromorficzną, to podejście w tworzeniu sztucznej inteligencji, które stara się naśladować sposób działania naszego mózgu. Nie chodzi tu tylko o to, żeby AI szybciej liczyła czy podawała odpowiedzi, ale żeby robiła to w sposób zbliżony do myślenia człowieka. Tak jak nasz mózg przetwarza informacje równolegle, w ogromnej liczbie połączeń, tak samo systemy neuromorficzne starają się działać na podobnej zasadzie – szybko, oszczędnie i z odrobiną kreatywności.
Przyszłość neuronów fotonicznych
Choć badania nad neuronami fotonicznymi są wciąż w fazie rozwoju, osiągnięcia polskich naukowców stanowią znaczący krok naprzód. Przyszłe prace będą koncentrować się na scalaniu wielu takich neuronów w sieci oraz na opracowywaniu materiałów umożliwiających działanie tych układów w temperaturze pokojowej, co przybliży nas do stworzenia pełnowymiarowych procesorów fotonicznych naśladujących ludzki mózg.
Mamy już „prostszą” rzecz wyjaśnioną, teraz pora na „mrocznego lorda nauki”
Zgłębienie tego tematu, moi drodzy, było jak wejście do najciemniejszej jaskini naukowej wiedzy. Kryształy czasowe – brzmi jak coś, co mogłoby spokojnie być elementem fabuły w „Gwiezdnych Wojnach” albo magicznym artefaktem z „Władcy Pierścieni”. Opisanie ich Wam „jak krowie na rowie” dało mi solidnie w kość. Nie ukrywam, że publikując ten materiał, mam pewne rozterki, czy przypadkiem gdzieś nie pomieszałem pojęć i czy na pewno uchwyciłem sedno. Ale co tam – zanurzmy się w tej naukowej otchłani i spróbujmy zrozumieć, czym są te tajemnicze kryształy czasowe.
Wyobraźcie sobie, że macie garść atomów, które – jak przystało na dobrze wychowaną gromadę – układają się w regularną strukturę przestrzenną. Tak działają znane nam kryształy, jak sól czy diamenty. A teraz zmieńmy zasady gry: te same atomy, zamiast układać się w przestrzeni, zaczynają samoorganizować się w czasie. W pewnych odstępach czasu powtarzają swoje zachowanie, tworząc swoistą „rytualną synchronizację”.
To właśnie są kryształy czasowe – struktury, które oscylują bez przerwy i to nawet w stanie podstawowym, bez zewnętrznego zasilania. Ich ruch jest jak bicie serca: regularny, nieustający, niezależnie od warunków.
Jak to się zaczęło?
Zasiewem tej idei był rok 2012, gdy noblista Frank Wilczek zadał pytanie: „Skoro mamy kryształy przestrzenne, to czy możliwe są kryształy czasowe?” Pomysł, choć genialny, napotkał fundamentalne trudności fizyczne. I tutaj wkracza polski naukowiec, profesor Krzysztof Sacha, który w 2015 roku sformułował teorię opisującą, jak takie kryształy mogą rzeczywiście powstać. To był przełom – polowanie na kryształy czasowe stało się globalnym wyzwaniem, a teoria Sachy otworzyła drzwi do ich eksperymentalnej realizacji.
Dlaczego to takie ważne?
Kryształy czasowe mogą odegrać kluczową rolę w stabilizowaniu stanów kwantowych, co jest jednym z największych wyzwań w budowie komputerów kwantowych. Dzięki ich właściwościom możliwe jest tworzenie urządzeń, które działają szybciej, stabilniej i z mniejszym zużyciem energii. A kto wie, może nawet staną się fundamentem nowej dziedziny nauki i technologii, którą badacze już teraz nazywają czasotroniką.
Czasotronika, jako praktyczne zastosowanie kryształów czasowych, może prowadzić do stworzenia nowych typów urządzeń, takich jak komputery kwantowe, w których problem transportu kubitów w celu ich splątania jest rozwiązany automatycznie. Dzięki temu możliwe będzie budowanie elementów takich jak izolatory, przewodniki czy nadprzewodniki w wymiarze czasowym.
Badania nad czasotroniką są wciąż w początkowej fazie, ale już teraz budzą duże nadzieje na rewolucję w dziedzinie technologii kwantowych. Polska, dzięki wybitnemu wkładowi profesora Sachy, ma szansę odegrać kluczową rolę w rozwoju tej innowacyjnej dziedziny nauki.
A teraz „crème de la crème”, czyli połączenie obu dziedzin, tematów, zjawisk i technologii w jedno… Po chwili powstaje: kryształowo-fotoniczny superkomputer!
Mamy za sobą poznanie neuronów fotonicznych i kryształów czasowych (lepiej czy gorzej ale mamy). Obie te technologie same w sobie robią wrażenie, ale co się stanie, gdy je połączymy? Powiedzmy wprost – mamy tu potencjał na stworzenie technologicznego arcydzieła.
Wyobraźcie sobie maszynę, która łączy moc neuronów fotonicznych – zdolnych do przetwarzania danych z prędkością światła – z regularnością i stabilnością kryształów czasowych, eliminującą typowe problemy komputerów kwantowych. To byłby system ekstremalnie szybki, energooszczędny i precyzyjny.
Jak mogłoby to działać?
- Kryształy czasowe jako fundament stabilizacji
Wyobraźcie sobie serce tego superkomputera, gdzie kryształy czasowe stabilizują dane przechowywane w stanach kwantowych (kubity). Ich samoorganizacja w czasie rozwiązuje problem dekoherencji – największego wroga obecnych komputerów kwantowych. - Neurony fotoniczne jako mózg (trochę to naciągane)
Rolę mózgu pełniłyby neurony fotoniczne, przetwarzające dane w tempie nieosiągalnym dla tradycyjnych systemów. Impulsy światła naśladowałyby aktywność biologicznych neuronów, co pozwalałoby na realizację złożonych procesów w ułamku sekundy. - Czasotronika jako sieć komunikacyjna
Czasotronika, bazująca na kryształach czasowych, umożliwiłaby pełną synchronizację wszystkich elementów systemu. Wyobraźcie sobie sieć, w której każdy element jest zsynchronizowany z idealną precyzją, co zapewnia nie tylko wydajność, ale też niezawodność.
Jakie byłyby zastosowania?
- AI nowej generacji: Sztuczna inteligencja uczyłaby się i adaptowała szybciej niż kiedykolwiek, co pozwoliłoby na rozwiązywanie problemów dotychczas poza zasięgiem.
- Symulacje molekularne: Tworzenie leków, materiałów i skomplikowanych struktur chemicznych w rekordowym czasie.
- Zarządzanie zmianami klimatycznymi: Symulacje na skalę globalną mogłyby przewidywać i przeciwdziałać katastrofom ekologicznym.
- Inżynieria i analiza zjawisk chemicznych oraz fizycznych: Zdolność modelowania złożonych reakcji i procesów w skali atomowej z niespotykaną dotąd precyzją.
- Symulacje astronomiczne: Mapowanie i przewidywanie ruchów ciał niebieskich, a także eksploracja dynamiki wszechświata na niespotykaną skalę.
Jak mogłoby wyglądać takie urządzenie?
Dzisiejsze superkomputery to dziesiątki szaf wypełnionych procesorami, systemami chłodzenia i całą masą innych komponentów. Wielkie, szumiące, mało ekologiczne potwory. Komputery kwantowe z kolei wyglądają dość abstrakcyjnie – to zupełnie inna bajka w porównaniu z tym, co znamy na co dzień. A komputer kwantowo-neuronowy? No właśnie. Wydaje się, że będzie to maszyna wizualnie atrakcyjna, ale dzięki kryształom czasowym nie będzie aż tylu problemów z zakłóceniami powodującymi ogromną liczbę „szumów”. Dzięki temu takie urządzenia mogłyby działać bliżej nas, a może nawet nie trzeba by wręcz „chodzić na paluszkach” przy nich.
Przyszłość kryształowo-fotonicznych maszyn
Dzisiaj to raczej wróżenie z fusów, bo technologia jest tak dziwna i pokręcona, że równie dobrze mogę napisać, że to przyszłość za 100 lat, jak i śmiało stwierdzić, że pierwsze prototypy powstaną w 2030 roku. Prace oczywiście już trwają i nie są one tylko teoretyczne. Konstrukcja od strony fizycznej to jedno, ale od strony informatycznej to całkiem inna bajka. Programiści obecnych komputerów (opartych o układy krzemowe) mają spore problemy w przesiadaniu się na programowanie komputerów kwantowych. Zmiana technologii tych ostatnich może wymagać „wykształcenia” całkiem nowych programistów. Samo pojęcie czasotroniki generuje nowe technologie, algorytmy, rozwiązania czy opracowania. Polska, dzięki pionierskim pracom profesora Krzysztofa Sachy i jego zespołu, ma szansę być liderem w tej rewolucji. Może/Ba pewno (niepotrzebne skreślić) już wkrótce nasze komputery będą działać w oparciu o technologie, które dziś brzmią jak magia. Przecież dopiero co tak myśleliśmy o naszych obecnych cyfrowych towarzyszach.
Będzie ciekawie
Zakończenie
Materiał ten nie powstałby, gdyby nie fantastyczna seria audycji w Polskim Radiu. Tytuł audycji: „Ludzie Nauki” z cyklu „Eureka” to właśnie mnie zainspirowało do podzielenia się z Wami tą intrygującą „ciekawostką”? „zjawiskiem”? Sam nie wiem, ale jedno jest pewne – przyszłość nauki i technologii zapowiada się ekscytująco!
Do następnego artykułu
Aleksander Marcin Sanetra