|
Как улучшить способность ИИ запоминать и обучаться
|
|
|
|
Новое исследование показало, что можно создать сеть из атомов и фотонов, которая улучшит способность искусственного интеллекта хранить и воспроизводить воспоминания. Эта сеть, получившая название «квантово-оптическое спиновое стекло», работает как ассоциативная память — разновидность искусственного интеллекта, которая позволяет воспроизводить полные воспоминания на основе неполной информации, подобно тому, как люди могут узнать человека по размытой фотографии.
|
|
|
|
Исследование, результаты которого были опубликованы в журнале Science, показало, что этот новый тип спинового стекла обладает большей способностью хранить и воспроизводить воспоминания, чем традиционная нейронная сеть того же размера. Сеть из атомов и фотонов также продемонстрировала краткосрочную пластичность — явление, напоминающее то, как меняются синаптические связи между нейронами в мозге при получении новой информации.
|
|
|
|
«Теперь мы можем создавать нейронные сети на атомном уровне, и они самоорганизуются примерно так же, как, по нашему мнению, обучается наш мозг», — сказал Бенджамин Лев, старший автор исследования, профессор физики и прикладной физики Школы гуманитарных и естественных наук Стэнфордского университета.
|
|
|
|
Новое спиновое стекло было создано из атомов, находящихся при экстремально низких температурах в вакуумной камере, поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять, можно ли масштабировать эту технологию для практического применения. Однако при дальнейшей разработке она может обеспечить ещё больший объём памяти.
|
|
|
|
|
|
|
Задача по физике
|
|
|
|
Это открытие помогает понять, как функционируют некоторые спиновые стёкла на атомном уровне, над чем физики бьются уже несколько десятилетий.
|
|
|
|
Спиновое стекло — это разновидность фрустрированного магнита. «Спин» — это одно из двух состояний, в которых могут находиться атомы, подобно тому, как северный полюс стержневого магнита может быть направлен вверх или вниз. В обычном магните для холодильника все спины направлены в одну сторону — либо вверх, либо вниз, — и это позволяет прикрепить его к дверце холодильника. В спиновом стекле спины, напротив, «растянуты»: они хаотично направлены в разные стороны. Это чем-то напоминает обычное стекло, которое выглядит и ведёт себя как твёрдое тело, но при этом атомы в нём расположены беспорядочно, как в жидкости.
|
|
|
|
В 1982 году физик Джон Хопфилд использовал свойства фрустрированных спинов в математической модели, чтобы показать, что сеть спинов может хранить и воспроизводить информацию в виде паттернов памяти. Низкоэнергетические конфигурации спинов, называемые долинами, содержат в себе полную информацию. Если сеть получает неполную или искажённую информацию, она может «сопоставить» повреждённую информацию с наиболее похожим сохранённым паттерном памяти, тем самым воспроизводя полную информацию.
|
|
|
|
За эту работу Хопфилд получил Нобелевскую премию по физике 2024 года. Она помогла стимулировать исследования в области нейронных сетей, лежащие в основе того, как вычислительные системы искусственного интеллекта, такие как ChatGPT, обрабатывают и понимают язык. Однако сеть Хопфилда работает только до определённого момента: если в ней слишком много воспоминаний, то при попытке их извлечения сеть переходит в состояние спинового стекла, при котором фрустрированные спины создают слишком сложный энергетический ландшафт, не позволяющий точно воспроизвести нужные воспоминания.
|
|
Новый взгляд на спиновое стекло
|
|
|
|
В рамках этого исследования Лев и его коллеги решили эту проблему, выяснив, как заставить состояние спинового стекла функционировать в качестве ассоциативной памяти. Ключевым моментом было создание такой сети из атомов и фотонов. Благодаря квантово-оптическим эффектам, возникающим при поглощении и испускании фотонов атомами, сеть спинового стекла могла извлекать воспоминания даже в этом фрустрированном состоянии, преодолевая ограничения сети Хопфилда. Квантово-оптическое спиновое стекло было впервые экспериментально реализовано в 2025 году, как описано в предыдущей статье команды, опубликованной в журнале Science. Однако в этом исследовании учёные пошли ещё дальше и применили его в качестве ассоциативной памяти.
|
|
|
|
С помощью лазерного пинцета исследователи создали в оптическом резонаторе — ловушке для света, образованной двумя изогнутыми зеркалами, — массив атомных газов. Эти газы, называемые конденсатами Бозе — Эйнштейна, содержат скопления из 10 000 и более атомов в особом квантовом состоянии, и каждое такое скопление ведёт себя как отдельный суператом.
|
|
|
|
Исследователи направили в резонатор пучки фотонов — частиц света. Фотоны, тысячи раз отражаясь от зеркал, создавали множественные связи между атомами, подобно тому, как синапсы соединяют нейроны. Фотоны помогали ориентировать спины каждого суператома вверх или вниз, в конечном счёте переводя их в низкоэнергетическую «долину» спинового стекла.
|
|
|
|
Затем команда использовала эту небольшую сеть из 20 спинов в качестве ассоциативной памяти. Квантово-оптическое спиновое стекло показало, что его способность хранить и воспроизводить воспоминания в семь раз выше, чем у традиционной сети Хопфилда с таким же количеством спинов.
|
|
|
|
Исследователи также обнаружили, что фотоны могут подталкивать атомы к созданию своего рода пластичности, при которой связи могут смещаться и изменяться, подобно тому, как перестраивается сеть нейронов и синапсов в человеческом мозге.
|
|
|
|
«Теперь у нас есть доказательство того, что физическая сеть может самонастраиваться, как обучающаяся система, и если мы сможем усовершенствовать и масштабировать этот подход, то аппаратное обеспечение для ИИ станет гораздо менее энергозатратным в процессе обучения», — сказал Лев.
|
|
|
|
Поскольку система позволяет хранить больше данных в небольшой сети, технология искусственного интеллекта потенциально может потреблять меньше ресурсов. По словам Льва, исследование находится на очень ранней стадии, но команда работает над созданием системы с большим количеством спинов, в том числе квантово запутанных, а также изучает другие свойства нового спинового стекла.
|
|
|
|
«Это позволяет нам немного больше узнать о том, как физические системы могут производить вычисления, опираясь не только на классические, но и на квантовые законы физики, — говорит Лев. — Это отличная разработка для практического применения, но мы занимаемся этим еще и потому, что хотим больше узнать о том, как устроена природа».
|
|
|
|
Источник
|
