Може ли компютърът да се учи от миналото и да предвиди какво ще се случи след това, като човек? Едва ли ще се изненадате, че някои авангардни AI модели могат да правят това, но какво ще кажете за компютър, който изглежда малко по-различно – като резервоар с вода?

Изследователи са изградили малък компютър като доказателство за концепция, използваща течаща вода вместо традиционен логически процесор.

За този воден компютър, способен да прогнозира бъдещи събития чрез подход, наречен "резервоарно изчисление", разказва в The Conversation ръководителя на екипа Иван Максимов (Ivan Maksymov), главен научен сътрудник от Университета "Чарлз Стърт", Австралия.

При сравнителни тестове новият аналогов компютър се справя добре със запомнянето на входни данни и прогнозирането на бъдещи събития – а в някои случаи дори се справя по-добре от високопроизводителен цифров компютър, разказват авторите в статия, вече публикувана в Europhysics Letters. 

И така, как работи този компютър?

ХВЪРЛЯНЕ НА КАМЪНИ В ЕЗЕРО

Представете си две деца, Алис и Боб, които си играят на ръба на езерце. Боб хвърля големи и малки камъни във водата един по един, привидно на случаен принцип.

Големи и малки камъни създават водни вълни с различна големина. Алис наблюдава водните вълни, създадени от камъните, и се научава да предвижда какво ще направят вълните след това – и изхождайки от това тя може да разбере кой камък ще хвърли Боб следващия път.

Водните (резервоарните) компютри копират процеса на разсъждение, протичащ в мозъка на Алис. Те могат да се учат от резултатите от минали входни данни, за да предскажат бъдещи събития.

Въпреки че резервоарните компютри са предложени за първи път с помощта на невронни мрежи - компютърни програми, базирани на структурата на невроните в мозъка - те могат да бъдат изградени и с прости физически системи.

Резервоарните компютри са аналогови компютри. Аналоговият компютър представя данните като непрекъснати, за разлика от цифровите компютри, които представят данните като рязко отличими двоични състояния „нула“ и „едно“.

Представянето на данни по непрекъснат начин позволява на аналоговите компютри да моделират определени природни събития - такива, които се случват в един вид непредсказуема последователност, наречена "хаотична времева серия" - по-добре от цифров компютър.

КАК СЕ ПРАВЯТ ПРОГНОЗИ

За да разберем как може да се използва резервоарния компютър да прави прогнози, представете си, че имате запис на дневни валежи за изминалата година и кофа, пълна с вода близо до вас. Кофата ще бъде нашият „компютърен резервоар“.

Въвеждаме дневния рекорд на валежите в кофата с помощта на камък. За ден със слаб дъжд хвърляме малък камък, за ден на силен дъжд, голям камък. За ден без дъжд не хвърляме камък.

Всеки камък създава вълни, които след това взаимодействат с вълни, създадени от други камъни.

В края на този процес състоянието на водата в кофата ни дава прогноза. Ако взаимодействията между вълните създават големи нови вълни, може да се кажем, че резервоарният компютър прогнозира проливни дъждове. Но ако са малки, тогава може да се очаква слаб дъжд.

Също така е възможно вълните да се компенсират една друга, образувайки неподвижна водна повърхност. В такъв случай не трябва да се очаква дъжд.

Резервоарът прави прогноза за времето, защото вълните в кофата и моделите на валежите се развиват с течение на времето, следвайки същите закони на физиката.

Както и много други природни и социално-икономически процеси. Това означава, че резервоарният компютър може също да прогнозира финансовите пазари и дори някои видове човешка дейност.

ПО-ДЪЛГОТРАЙНИ ВЪЛНИ

Компютърът "кофа с вода" има своите ограничения. От една страна, вълните са краткотрайни. За да се прогнозират сложни процеси като изменение на климата и нарастване на населението, е нужен резервоар с по-трайни вълни.

Единият вариант е "солитони". Това са стабилни самотни вълни, които запазват формата си и се движат на големи разстояния. Солитоните се държат като частици - когато взаимодействат помежду си или с други смущения, те не се разрушават, а продължават да се движат, запазвайки структурата си непроменена. Това свойство може да се използва за предаване на данни на дълги разстояния без смущения.

В експерименталния резервоарен компютър на Максимов са използвани компактни солитоноподобни вълни. Такива вълни могат да се видят в мивката в банята или във фонтаните.

В този компютър тънък слой вода тече върху леко наклонена метална плоча. Малка електрическа помпа променя скоростта на потока и създава солитонни вълни.

Добавен е и флуоресцентен материал, за да свети водата под ултравиолетова светлина, за да бъде измерен точно размерът на вълните.

Помпата играе ролята на хвърлените камъни в играта на Алис и Боб, а солитонните вълни съответстват на вълните на водната повърхност. Солитонните вълни се движат много по-бързо и оцеляват по-дълго от водните вълни в кофа, което позволява на компютъра на Максимов да обработва данни с по-висока скорост.

И ТАКА, КАК СЕ ПРЕДСТАВЯ ВОДНИЯТ КОМПЮТЪР?

Изследователите проверяват способността на компютъра си да запомня предишни входове и да прави прогнози за сравнителен набор от хаотични и произволни данни. Техният компютър не само изпълнява всички задачи изключително добре, но и надминава високопроизводителен цифров компютър, натоварен със същия проблем.

Иван Максимов и колегата му Андрей Потоцки (Andrey Pototsky) от Технологичния университет Суинбърн, Австралия, създават и математически модел, който им позволява да разберат по-добре физическите свойства на солитонните вълни.

След това изследователите планират да миниатюризират своя компютър като микрофлуиден процесор. Водните вълни трябва да могат да правят изчисления вътре в чип, който работи подобно на силициевите чипове, използвани във всеки смартфон.

В бъдеще техният компютър може да е в състояние да произвежда надеждни дългосрочни прогнози в области като изменението на климата, горските пожари и финансовите пазари — с много по-ниска цена и по-широка наличност от сегашните суперкомпютри.

Този компютър естествено е и имунизиран срещу кибератаки, защото не използва цифрови данни.

"Нашата визия е базиран на солитони микрофлуиден резервоарен компютър, който да донесе науката за данни и машинното обучение в селските и отдалечените общности по целия свят. Но засега нашата изследователска работа продължава", обещават авторите.

Ivan Maksymov et al, Reservoir computing based on solitary-like waves dynamics of liquid film flows: A proof of concept, Europhysics Letters (2023). DOI: 10.1209/0295-5075/acd471

Researchers built an analogue computer that uses water waves to forecast the chaotic future, Ivan Maksymov, The Conversation

Тази статия е препубликувана от The Conversation под лиценз Creative Commons. Прочетете оригиналната статия .