Nhà nghiên cứu xây dựng máy tính tương tự sử dụng sóng nước để dự báo tương lai hỗn loạn.

Bathurst (Úc), ngày 28 tháng 5 (Trò chuyện) Máy tính có thể học từ quá khứ và dự đoán điều gì sẽ xảy ra tiếp theo, giống như con người không? Bạn có thể không ngạc nhiên khi biết rằng một số mô hình AI phức tạp có thể đạt được kỳ tích này, nhưng còn một chiếc máy tính trông hơi khác một chút – giống một bể nước hơn thì sao? Chúng tôi đã xây dựng một máy tính chứng minh khái niệm nhỏ sử dụng nước chảy thay vì bộ xử lý mạch logic truyền thống và dự đoán các sự kiện trong tương lai thông qua phương pháp gọi là “điện toán hồ chứa”.

Trong các bài kiểm tra điểm chuẩn, máy tính tương tự của chúng tôi đã ghi nhớ thành công dữ liệu đầu vào và dự đoán các sự kiện trong tương lai – và trong một số trường hợp, máy tính tương tự của chúng tôi hoạt động tốt hơn máy tính kỹ thuật số hiệu suất cao.

Vì vậy, làm thế nào nó hoạt động? Ném một hòn đá xuống ao Hãy tưởng tượng hai đứa trẻ, Alice và Bob, đang chơi bên một cái ao. Bob ném từng viên đá lớn và nhỏ xuống nước, rõ ràng là ngẫu nhiên.

Những tảng đá lớn nhỏ tạo nên những làn sóng nước lớn nhỏ khác nhau. Alice quan sát những làn sóng nước do hòn đá tạo ra và học cách dự đoán làn sóng tiếp theo sẽ làm gì – và từ đó, cô ấy có thể biết được hòn đá mà Bob sẽ ném tiếp theo.

Máy tính dự trữ sao chép quá trình suy luận diễn ra trong não của Alice. Họ có thể học hỏi từ đầu vào trong quá khứ để dự đoán các sự kiện trong tương lai.

Mặc dù các máy tính dự trữ lần đầu tiên được đề xuất sử dụng mạng thần kinh – các chương trình máy tính dựa trên cấu trúc của các tế bào thần kinh trong não – nhưng chúng cũng có thể được xây dựng bằng các hệ thống vật lý đơn giản.

Một máy tính hồ chứa là một máy tính tương tự. Máy tính tương tự biểu thị dữ liệu liên tục, so với máy tính kỹ thuật số biểu thị dữ liệu dưới dạng thay đổi đột ngột của trạng thái nhị phân “không” và “một”.

Biểu diễn dữ liệu liên tục cho phép các máy tính tương tự lập mô hình các sự kiện tự nhiên nhất định – xảy ra theo một loại trình tự không thể đoán trước được gọi là “chuỗi thời gian hỗn loạn” – tốt hơn so với máy tính kỹ thuật số.

Cách lập dự báo Để hiểu cách chúng ta có thể sử dụng máy tính hồ chứa để dự báo, hãy tưởng tượng bạn có hồ sơ lượng mưa hàng ngày trong năm qua và một xô đầy nước ở gần bạn. Cái xô đó sẽ là “hồ chứa tính toán” của chúng ta.

Chúng tôi đặt bản ghi lượng mưa hàng ngày vào thùng bằng đá. Cho một ngày mưa, chúng tôi ném những viên đá nhỏ; cho những ngày mưa lớn, đá lớn. Những ngày không mưa, chúng tôi không ném đá.

Mỗi viên đá tạo ra một làn sóng, sau đó sóng này sẽ trượt xung quanh thùng và tương tác với những làn sóng do những viên đá khác tạo ra.

Kết thúc quá trình này, trạng thái của nước trong xô cho chúng ta dự đoán. Nếu sự tương tác giữa các sóng tạo ra một đợt sóng lớn mới, chúng ta có thể nói rằng máy tính hồ chứa của chúng ta đang dự đoán mưa lớn. Nhưng nếu chúng nhỏ thì chúng ta chỉ nên mưa nhẹ.

Cũng có thể sóng sẽ triệt tiêu lẫn nhau, tạo thành mặt nước phẳng lặng. Trong trường hợp đó chúng ta không nên mong đợi mưa.

Hồ chứa đưa ra dự đoán thời tiết vì các sóng trong xô và các kiểu mưa phát triển theo thời gian theo cùng một định luật vật lý.

Điều tương tự cũng xảy ra với nhiều quá trình tự nhiên và kinh tế – xã hội khác. Điều này có nghĩa là máy tính dự trữ cũng có thể dự đoán thị trường tài chính và thậm chí một số loại hoạt động của con người.

Sóng kéo dài lâu hơn Hồ chứa “xô nước” máy tính có giới hạn của chúng. Đối với một điều, sóng là ngắn ngủi. Để dự đoán các quá trình phức tạp như biến đổi khí hậu và gia tăng dân số, chúng ta cần các hồ chứa có sóng kéo dài hơn. Một lựa chọn là “solitons”. Đây là những sóng tự tăng cường giữ nguyên hình dạng của chúng và di chuyển trong một khoảng cách dài.

Đối với máy tính hồ chứa của chúng tôi, chúng tôi sử dụng sóng giống như soliton dày đặc. Bạn thường thấy những làn sóng như thế trong bồn rửa trong phòng tắm hoặc vòi uống nước.

Trong máy tính của chúng tôi, một lớp nước mỏng chảy trên một tấm kim loại hơi nghiêng. Một máy bơm điện nhỏ thay đổi tốc độ của dòng chảy và tạo ra một làn sóng đơn độc.

Chúng tôi đã thêm một vật liệu huỳnh quang để làm cho nước phát sáng dưới ánh sáng cực tím, nhằm đo chính xác kích thước của sóng.

Pump đóng vai một viên đá rơi trong trò chơi do Alice và Bob chơi, nhưng sóng đơn độc tương ứng với sóng trên mặt nước. Sóng đơn lẻ di chuyển nhanh hơn và tồn tại lâu hơn sóng nước trong xô, điều này cho phép máy tính của chúng tôi xử lý dữ liệu ở tốc độ cao hơn.

Vì vậy, làm thế nào để nó thực hiện? Chúng tôi kiểm tra khả năng ghi nhớ đầu vào trong quá khứ của máy tính và đưa ra dự đoán cho một tập hợp dữ liệu hỗn loạn và ngẫu nhiên chuẩn. Máy tính của chúng tôi không chỉ thực hiện rất tốt tất cả các tác vụ mà còn vượt trội so với các máy tính kỹ thuật số hiệu suất cao được giao nhiệm vụ tương tự.

Cùng với đồng nghiệp của tôi, Andrey Pototsky, chúng tôi cũng đã tạo ra một mô hình toán học cho phép chúng tôi hiểu rõ hơn các tính chất vật lý của sóng đơn độc.

Tiếp theo, chúng tôi dự định thu nhỏ máy tính của mình thành một bộ xử lý vi lỏng. Waterwave sẽ có thể thực hiện các phép tính bên trong một con chip hoạt động tương tự như chip silicon được sử dụng trong mọi điện thoại thông minh.

Trong tương lai, máy tính của chúng tôi có thể đưa ra các dự báo dài hạn đáng tin cậy trong các lĩnh vực như biến đổi khí hậu, cháy rừng và thị trường tài chính – với chi phí thấp hơn nhiều và tính khả dụng rộng hơn so với các siêu máy tính hiện tại.

Máy tính của chúng ta vốn đã miễn nhiễm với các cuộc tấn công mạng vì chúng không sử dụng dữ liệu số.

Tầm nhìn của chúng tôi là các máy tính chứa vi lỏng dựa trên soliton sẽ mang khoa học dữ liệu và máy học đến các cộng đồng nông thôn và vùng sâu vùng xa trên khắp thế giới. Nhưng hiện tại, công việc nghiên cứu của chúng tôi vẫn tiếp tục. (Trò chuyện) NSA NSA