Газ, который притворяется мозгом экспресс
Облако атомов, охлаждённое почти до абсолютного нуля, внезапно начинает вести себя как мозг. Один возбуждённый атом запускает цепную реакцию — соседи «загораются» следом, и по газу бежит лавина активности. Физики называют это ридберговским облегчением: атомы легче возбуждаются, если рядом уже есть возбуждённый. Процесс удивительно похож на то, как нейроны обмениваются электрическими сигналами через синапсы.
В эксперименте чётко разделились две фазы. Поглощающая — где лавины быстро затухают. Активная — где возбуждение поддерживает само себя. В пограничной точке между ними система входит в критическое состояние, такое же, какое подозревают в работающем мозге. Здесь размеры лавин подчиняются степенному закону: маленьких много, больших мало. А их форма становится универсальной. Авторы впервые подтвердили эти признаки критичности в контролируемой физической модели.
Чтобы система не затухала, учёные добавили управляемую накачку — своего рода метаболический ресурс, восполняющий потери атомов. Это позволило удерживать газ в неравновесном стационарном состоянии, как живой организм, который постоянно тратит и восстанавливает энергию. В активной фазе возникали стохастические колебания с редкими, но гигантскими всплесками — так называемыми «лавинами драконов». Такой режим напоминает ритмическую активность нейронных сетей, которая сопровождает обработку информации.
Работа превращает ультрахолодный ридберговский газ в мощный симулятор для нейронаук. Здесь можно настраивать параметры, которые в живых клетках практически неуловимы, и проверять теории о том, как коллективное поведение нейронов рождает сложные функции мозга.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2607.16368
Efficient operation of neural networks has been linked to criticality in their underlying non-equilibrium excitation dynamics. However, obtaining experimental evidence of this conjecture remains challenging due to limited control and undersampling in biological systems. Here, we experimentally explore neural network criticality using an ultracold Rydberg gas as a highly controllable simulator. We highlight the similarity of the excitation spreading via Rydberg facilitation and the synaptic connection of spiking activity of neurons, giving rise to distinct absorbing and active phases. We systematically explore and resolve criticality criteria, including power-law scaling of excitation avalanches and the emergence of universal avalanche shape collapse. Crucially, we implement a controlled gain mechanism to compensate for atom loss, mimicking metabolic resource replenishment and stabilizing the system in a controlled non-equilibrium steady state. We find peak temporal correlations at the critical point and stochastic oscillations with dragon king avalanches in the active phase, consistent with predictions for systems orbiting criticality. Our work establishes facilitated Rydberg gases as a platform for investigating criticality, resource dynamics, and emergent oscillations in neural networks.
Ридберговские атомы могут быть в тысячи раз больше обычных — один такой атом размером с бактерию, а его электрон находится так далеко от ядра, что чувствует малейшее влияние соседей.
В романе «Ложная слепота» Питера Уоттса инопланетный разум работает на принципах, напоминающих критическую динамику: он не мыслит непрерывно, а «пробуждается» в ответ на стимулы, подобно лавинам в ридберговском газе.