Ученые создали прототип компьютера, который предсказывает будущее лучше, чем цифровые аналоги

Могут ли компьютеры учиться на прошлом и предвидеть, что произойдет дальше, как люди? Вас, возможно, не удивит, что некоторые передовые модели искусственного интеллекта могут справиться с этой задачей, но что насчет компьютеров, которые выглядят немного иначе - больше похож на аквариумы?

Ученые Иван Максимов и Андрей Потоцкий из Университета Сассари в Италии разработали прототип компьютера , который может предсказывать будущие события лучше, чем некоторые цифровые компьютеры. Этот компьютер называется резервуарным компьютером (reservoir computer) и использует нелинейную динамику для обработки информации.

Резервуарный компьютер состоит из двух частей: резервуара и выходного слоя. Резервуар - это физическая система, которая может принимать входные сигналы и генерировать сложные временные последовательности. Выходной слой - это алгоритм, который обучается на основе этих последовательностей и выдаёт ответы на задачи.

Исследователи построили небольшой опытный компьютер, который использует текущую воду вместо традиционной логической схемы процессора и прогнозирует будущие события с помощью подхода, называемого “резервуарным вычислением”.

В тестах их аналоговый компьютер хорошо справился с запоминанием входных данных и прогнозированием будущих событий - и в некоторых случаях даже превзошел высокопроизводительный цифровой компьютер, решавший ту же проблему.

Как это работает?

Кидая камни в пруд

Представьте двух детей, Алису и Боба, играющих на берегу пруда. Боб бросает большие и маленькие камни в воду по одному, кажется, наугад.

Большие и маленькие камни создают водные волны разного размера. Алиса наблюдает за водными волнами, созданными камнями, и учится предвидеть, что они сделают дальше - и из этого она может иметь представление о том, какой камень Боб бросит следующим.

Резервуарные компьютеры копируют процесс рассуждения, происходящий в мозгу Алисы. Они могут учиться на основе прошлых входных данных, чтобы предсказывать будущие события.

Хотя резервуарные компьютеры были изначально предложены с использованием нейронных сетей - компьютерных программ, слабо основанных на структуре нейронов в мозге - они также могут быть построены с помощью простых физических систем.

Резервуарные компьютеры - это аналоговые компьютеры. Аналоговый компьютер представляет данные непрерывно, в отличие от цифровых компьютеров, которые представляют данные как резко меняющиеся бинарные состояния “ноль” и “один”.

Представление данных непрерывным образом позволяет аналоговым компьютерам лучше моделировать определенные природные явления - те, которые происходят в виде некоторой непредсказуемой последовательности, называемой “хаотическим временным рядом” - лучше, чем цифровой компьютер.

Как делать прогнозы

Чтобы понять, как исследователи могут использовать резервуарный компьютер для прогнозирования, представьте себе, что у них есть запись ежедневных осадков за прошлый год и ведро с водой рядом с ними. Ведро будет их “вычислительным резервуаром”.

Они вводят ежедневную запись осадков в ведро с помощью камня. За день легкого дождя они бросают маленький камень; за день сильного дождя - большой камень. За день без дождя они не бросают камня.

Каждый камень создает волны, которые затем бушуют по ведру и взаимодействуют с волнами, созданными другими камнями.

В конце этого процесса состояние воды в ведре дает им прогноз. Если взаимодействие между волнами создает большие новые волны, мы можем сказать, что наш резервуарный компьютер прогнозирует сильные дожди. Но если они маленькие, то мы должны ожидать только легкого дождя.

Также возможно, что волны погасят друг друга, образуя спокойную поверхность воды. В этом случае мы не должны ожидать никакого дождя.

Резервуар делает прогноз погоды потому, что волны в ведре и осадки эволюционируют со временем, следуя одним и тем же законам физики.

Так же и многие другие природные и социально-экономические процессы. Это означает, что резервуарный компьютер также может прогнозировать финансовые рынки и даже определенные виды человеческой деятельности.

Долгоживущие волны

“Ведро с водой” резервуарный компьютер имеет свои ограничения. В частности, волны недолговечны. Для прогнозирования сложных процессов, таких как изменение климата и рост населения, нам нужен резервуар с более долгоживущими волнами.

Одним из вариантов являются “солитоны”. Это самоусиливающиеся волны, которые сохраняют свою форму и движутся на большие расстояния.

Для резервуарного компьютера эксперты использовали компактные солитоноподобные волны. Такие волны часто можно увидеть в раковине или питьевом фонтанчике.

В компьютере тонкий слой воды течет по слегка наклонной металлической пластине. Маленький электрический насос меняет скорость потока и создает одиночные волны.

Исследователи добавили флуоресцентное вещество, чтобы вода светилась под ультрафиолетовым светом, чтобы точно измерить размер волн.

Насос играет роль падающих камней в игре Алисы и Боба, а одиночные волны соответствуют волнам на поверхности воды. Одиночные волны движутся намного быстрее и живут дольше, чем водные волны в ведре, что позволяет нашему компьютеру обрабатывать данные с более высокой скоростью.

Ну и как он работает?

Исследователи проверяли способность компьютера запоминать прошлые входные данные и делать прогнозы для эталонного набора хаотических и случайных данных. Компьютер не только выполнил все задачи исключительно хорошо, но и превзошел высокопроизводительный цифровой компьютер, решавший ту же проблему.

Максимов и Потоцкий создали математическую модель, которая позволила лучше понять физические свойства одиночных волн.

Далее исследователи планируют миниатюризировать компьютер как микрожидкостный процессор. Водные волны должны быть способны выполнять вычисления внутри чипа, который работает аналогично кремниевым чипам, используемым в каждом смартфоне.

В будущем компьютер может быть способен производить надежные долгосрочные прогнозы в таких областях, как изменение климата, лесные пожары и финансовые рынки - с намного более низкой стоимостью и широкой доступностью, чем современные суперкомпьютеры.

Разработанный компьютер также естественно устойчив к кибератакам, потому что он не использует цифровые данные.