Пластовые вычисления - Википедия - Reservoir computing

Пластовые вычисления это основа для вычислений, полученная из рекуррентная нейронная сеть теория, которая отображает входные сигналы в вычислительные пространства более высоких измерений через динамику фиксированной нелинейной системы, называемой резервуаром.[1] После того, как входной сигнал подается в резервуар, который рассматривается как «черный ящик», простой механизм считывания обучается считывать состояние резервуара и сопоставлять его с желаемым выходом.[1] Первым ключевым преимуществом этой схемы является то, что обучение выполняется только на этапе считывания, поскольку динамика коллектора фиксирована.[1] Во-вторых, вычислительная мощность естественно доступных систем, как классических, так и квантово-механических, может быть использована для снижения эффективных вычислительных затрат.[2]

История

Концепция резервуарных вычислений проистекает из использования рекурсивных связей внутри нейронные сети создать сложную динамическую систему.[3] Это обобщение более ранних архитектур нейронных сетей, таких как рекуррентные нейронные сети, жидкостные машины и сети с эхосигналом. Резервуарные вычисления также распространяются на физические системы, которые не являются сетями в классическом смысле, а скорее являются непрерывными системами в пространстве и / или времени: например, буквальное «ведро с водой» может служить резервуаром, который выполняет вычисления на входах, заданных как возмущения поверхности.[4] В результате сложность таких рекуррентных нейронных сетей оказалась полезной для решения множества проблем, включая языковую обработку и моделирование динамических систем.[3] Однако обучение рекуррентных нейронных сетей сложно и требует больших вычислительных ресурсов.[3] Вычисление резервуара уменьшает эти проблемы, связанные с обучением, за счет фиксации динамики резервуара и обучения только линейного выходного слоя.[3]

Большое разнообразие нелинейных динамических систем может служить резервуаром для выполнения вычислений. В последние годы полупроводниковые лазеры вызывают значительный интерес, поскольку вычисления могут быть быстрыми и энергоэффективными по сравнению с электрическими компонентами.

Последние достижения в области ИИ и квантовой теории информации привели к появлению концепции квантовые нейронные сети.[5] Это многообещающе в квантовой обработке информации, которая является сложной задачей для классических сетей, но также может найти применение при решении классических задач.[5][6] В 2018 году была продемонстрирована физическая реализация вычислительной архитектуры квантового резервуара в виде ядерных спинов внутри молекулярного твердого тела.[6] Однако эксперименты по ядерному спину в [6] не продемонстрировали квантовые резервуарные вычисления как таковые, поскольку они не включали обработку последовательных данных. Скорее, данные были векторными входами, что делает их более точной демонстрацией квантовой реализации случайная кухонная раковина[7] алгоритм (также известный под названием экстремальные обучающие машины в некоторых сообществах). В 2019 году была предложена еще одна возможная реализация квантовых резервуарных процессоров в виде двумерных фермионных решеток.[6] В 2020 году реализация резервуарных вычислений на квантовых компьютерах на основе затворов была предложена и продемонстрирована на облачных сверхпроводящих квантовых компьютерах IBM на ближайшее время.[8]

Классические пластовые вычисления

Резервуар

«Резервуар» в вычислениях резервуаров - это внутренняя структура компьютера, которая должна обладать двумя свойствами: она должна состоять из отдельных нелинейных единиц и должна быть способна хранить информацию.[9] Нелинейность описывает реакцию каждого блока на ввод, что позволяет компьютерам резервуара решать сложные задачи.[9] Резервуары могут хранить информацию, соединяя блоки в повторяющихся циклах, где предыдущий ввод влияет на следующий ответ.[9] Изменение реакции из-за прошлого позволяет обучить компьютеры выполнять определенные задачи.[9]

Резервуары могут быть виртуальными или физическими.[9] Виртуальные резервуары обычно генерируются случайным образом и спроектированы как нейронные сети.[9][3] Виртуальные резервуары могут быть спроектированы так, чтобы иметь нелинейность и повторяющиеся циклы, но, в отличие от нейронных сетей, связи между модулями рандомизированы и остаются неизменными на протяжении вычислений.[9] Физические резервуары возможны из-за неотъемлемой нелинейности некоторых природных систем.[1] Взаимодействие между рябью на поверхности воды содержит нелинейную динамику, необходимую для создания резервуара, и RC распознавания образов был разработан путем ввода сначала пульсаций с помощью электродвигателей, а затем записи и анализа пульсаций в считываемых данных.[1]

Зачитать

Считывание - это слой нейронной сети, который выполняет линейное преобразование выходных данных коллектора.[1] Веса считываемого слоя обучаются путем анализа пространственно-временных паттернов коллектора после возбуждения известными входными сигналами и с помощью метода обучения, такого как линейная регрессия или Регрессия хребта.[1] Поскольку его реализация зависит от пространственно-временных характеристик коллектора, детали методов считывания адаптированы к каждому типу коллектора.[1] Например, считывание данных для компьютера резервуара, использующего резервуар с жидкостью в качестве резервуара, может повлечь за собой наблюдение пространственно-временных структур на поверхности жидкости.[1]

Типы

Сеть контекстной реверберации

Ранним примером резервуарных вычислений была сеть контекстной реверберации.[10]В этой архитектуре входной уровень подается в многомерную динамическую систему, которая считывается обучаемым однослойным перцептрон. Были описаны два вида динамических систем: рекуррентная нейронная сеть с фиксированными случайными весами и непрерывная нейронная сеть. реакционно-диффузионная система вдохновлен Алан Тьюринг Модель морфогенез. На обучаемом уровне перцептрон связывает текущие входы с сигналами, которые отразиться в динамической системе; последние, как утверждается, обеспечивают динамический «контекст» для входных данных. Говоря языком более поздних работ, резервуаром служила система реакции-диффузии.

Сеть состояния эха

Основная статья: Сеть состояния эха

Модель Tree Echo State Network (TreeESN) представляет собой обобщение вычислительной структуры коллектора для данных с древовидной структурой.[11]

Жидкостная машина

Основная статья: Жидкостная машина

Расчет нелинейных переходных процессов

Этот тип обработки информации наиболее актуален, когда зависящие от времени входные сигналы отклоняются от внутренней динамики механизма.[12] Эти отклонения вызывают переходные процессы или временные помехи, которые отображаются на выходе устройства.[12]

Глубокие пластовые вычисления

Расширение инфраструктуры пластовых вычислений в сторону глубокого обучения с введением глубинных пластовых вычислений и модели Deep Echo State Network (DeepESN).[13][14][15][16] позволяет разрабатывать эффективно обученные модели для иерархической обработки временных данных, в то же время позволяя исследовать неотъемлемую роль слоистой композиции в повторяющиеся нейронные сети.

Квантовые резервуарные вычисления

Квантовые вычисления резервуаров могут использовать нелинейную природу квантово-механических взаимодействий или процессов для формирования характерных нелинейных резервуаров.[5][6][17][8] но также может быть выполнено с линейными коллекторами, когда закачка входных данных в пласт создает нелинейность.[18] Сочетание машинного обучения и квантовых устройств привело к появлению квантовых нейроморфных вычислений в качестве новой области исследований.[19]

Типы

Гауссовы состояния взаимодействующих квантовых гармонических осцилляторов

Гауссовские состояния представляют собой парадигматический класс состояний квантовые системы с непрерывными переменными.[20] Хотя в настоящее время их можно создавать и манипулировать, например, на современных оптических платформах,[21] естественно устойчивый к декогеренция, как известно, их недостаточно, например, для универсального квантовые вычисления потому что преобразования, сохраняющие гауссову природу состояния, линейны.[22] Обычно линейной динамики недостаточно и для нетривиальных расчетов резервуара. Тем не менее, такую ​​динамику можно использовать для целей расчета коллектора, рассматривая сеть взаимодействующих квантовые гармонические осцилляторы и вводят ввод посредством периодических сбросов состояния подмножества осцилляторов. При соответствующем выборе того, как состояния этого подмножества осцилляторов зависят от входа, наблюдаемые остальные осцилляторы могут стать нелинейными функциями входа, подходящими для расчета резервуара; действительно, благодаря свойствам этих функций, даже универсальные пластовые вычисления становятся возможными путем комбинирования наблюдаемых с функцией полиномиального считывания.[18] В принципе, такие резервуарные компьютеры могут быть реализованы с управляемым многомодовым оптические параметрические процессы,[23] однако эффективное извлечение выхода из системы является сложной задачей, особенно в квантовом режиме, где измерение обратного действия необходимо учитывать.

2-мерные фермионные решетки

В этой архитектуре рандомизированная связь между узлами решетки наделяет резервуар свойством «черного ящика», присущим процессорам резервуара.[5] Затем резервуар возбуждается, который действует как вход, падающим оптическое поле. Считывание происходит в форме номеров узлов решетки, которые, естественно, являются нелинейными функциями ввода.[5]

Ядерные спины в молекулярном твердом теле

В этой архитектуре квантово-механическая связь между спинами соседних атомов внутри молекулярное твердое вещество обеспечивает нелинейность, необходимую для создания многомерного вычислительного пространства.[6] Затем резервуар возбуждается радиочастотным излучением. электромагнитное излучение настроен на резонанс частоты соответствующих ядерные спины.[6] Считывание происходит путем измерения состояний ядерного спина.[6]

Резервуарные вычисления на основе краткосрочных сверхпроводящих квантовых компьютеров на основе затворов

Наиболее распространенной моделью квантовых вычислений является модель на основе вентилей, в которой квантовые вычисления выполняются путем последовательного применения унитарных квантовых вентилей на кубитах квантового компьютера.[24] Теория реализации резервуарных вычислений на квантовом компьютере на основе вентилей с демонстрацией принципа действия на ряде сверхпроводящих шумных квантовых компьютеров промежуточного масштаба (NISQ) IBM.[25] было сообщено в.[8]

Исследовательские инициативы

Целевая группа IEEE по пластовым вычислениям

В 2018 г. Целевая группа IEEE по пластовым вычислениям была создана с целью продвижения и стимулирования развития исследований в области резервуарных вычислений как с теоретической, так и с прикладной точки зрения.

Компьютеры физического резервуара

Оптические резервуарные вычисления

Компьютер резервуара для жидкости[26]

Компьютер коллектора с использованием связанных осцилляторов[27]

Резервуарный компьютер с мемристором[28]

Компьютер биологического резервуара[1]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j Танака, Гухей; Яманэ, Тошиюки; Эру, Жан Бенуа; Накане, Рёшо; Канадзава, Наоки; Такеда, Сэйдзи; Нумата, Хидетоши; Накано, Дайдзю; Хиросе, Акира (2019). «Последние достижения в области физических вычислений резервуаров: обзор». Нейронные сети. 115: 100–123. Дои:10.1016 / j.neunet.2019.03.005. ISSN  0893-6080. PMID  30981085.
  2. ^ Рем, Андре; Людж, Кэти (2018-08-03). «Мультиплексные сети: резервуарные вычисления с виртуальными и реальными узлами». Journal of Physics Communications. 2 (8): 085007. Bibcode:2018JPhCo ... 2h5007R. Дои:10.1088 / 2399-6528 / aad56d. ISSN  2399-6528.
  3. ^ а б c d е Шраувен, Бенджамин, Дэвид Верстратен, и Ян Ван Кампенхаут. «Обзор резервуарных вычислений: теория, приложения и реализации». Труды Европейского симпозиума по искусственным нейронным сетям ESANN 2007, стр. 471-482.
  4. ^ Fernando, C .; Соякка, Сампса (2003). «Распознавание образов в ведре». ECAL. Конспект лекций по информатике. 2801: 588–597. Дои:10.1007/978-3-540-39432-7_63. ISBN  978-3-540-20057-4. S2CID  15073928.
  5. ^ а б c d е Гош, Санджиб; Опала, Анджей; Матушевский, Михал; Патерек, Томаш; Лью, Тимоти К. Х. (декабрь 2019 г.). «Квантовая пластовая переработка». Квантовая информация NPJ. 5 (1): 35. arXiv:1811.10335. Bibcode:2019npjQI ... 5 ... 35G. Дои:10.1038 / s41534-019-0149-8. ISSN  2056-6387. S2CID  119197635.
  6. ^ а б c d е ж грамм час Негоро, Макото; Митараи, Косуке; Фудзи, Кейсуке; Накадзима, Кохей; Китагава, Масахиро (28.06.2018). «Машинное обучение с управляемой квантовой динамикой ансамбля ядерных спинов в твердом теле». arXiv:1806.10910 [Quant-ph ].
  7. ^ Рахими, Али; Брехт, Бенджамин (декабрь 2008 г.). «Взвешенные суммы случайных кухонных раковин: замена минимизации рандомизацией в обучении» (PDF). NIPS'08: Материалы 21-й Международной конференции по системам обработки нейронной информации: 1313–1320.
  8. ^ а б c Чен, Цзяин; Нурдин, Хендра; Ямамото, Наоки (24.08.2020). «Обработка временной информации на шумных квантовых компьютерах». Применена физическая проверка. 14 (2): 024065. arXiv:2001.09498. Bibcode:2020PhRvP..14b4065C. Дои:10.1103 / PhysRevApplied.14.024065. S2CID  210920543.
  9. ^ а б c d е ж грамм Сориано, Мигель К. (2017-02-06). "Точка зрения: разработка месторождения ускоряется". Физика. 10. Дои:10.1103 / Физика.10.12.
  10. ^ Кирби, Кевин. «Контекстная динамика в нейронном последовательном обучении». Труды Флоридского симпозиума исследований искусственного интеллекта FLAIRS (1991), 66-70.
  11. ^ Галликкио, Клаудио; Микели, Алессио (2013). «Дерево эхо-состояний сети». Нейрокомпьютинг. 101: 319–337. Дои:10.1016 / j.neucom.2012.08.017. HDL:11568/158480.
  12. ^ а б Крук, Найджел (2007). «Нелинейные переходные вычисления». Нейрокомпьютинг. 70 (7–9): 1167–1176. Дои:10.1016 / j.neucom.2006.10.148.
  13. ^ Педрелли, Лука (2019). Глубокие пластовые вычисления: новый класс глубоких рекуррентных нейронных сетей (Кандидатская диссертация). Università di Pisa.
  14. ^ Галликкио, Клаудио; Микели, Алессио; Педрелли, Лука (13 декабря 2017 г.). «Глубокие пластовые вычисления: критический экспериментальный анализ». Нейрокомпьютинг. 268: 87–99. Дои:10.1016 / j.neucom.2016.12.089. HDL:11568/851934.
  15. ^ Галликкио, Клаудио; Микели, Алессио (05.05.2017). "Эхо-государственная собственность вычислительных сетей глубинных пластов". Когнитивные вычисления. 9 (3): 337–350. Дои:10.1007 / s12559-017-9461-9. HDL:11568/851932. ISSN  1866-9956. S2CID  1077549.
  16. ^ Галликкио, Клаудио; Микели, Алессио; Педрелли, Лука (декабрь 2018 г.). «Проектирование сетей с глубоким эхом». Нейронные сети. 108: 33–47. Дои:10.1016 / j.neunet.2018.08.002. ISSN  0893-6080. PMID  30138751.
  17. ^ Чен, Цзяин; Нурдин, Хендра (15.05.2019). «Изучение нелинейных карт ввода-вывода с диссипативными квантовыми системами». Квантовая обработка информации. 18 (7): 198. arXiv:1901.01653. Bibcode:2019QuIP ... 18..198C. Дои:10.1007 / s11128-019-2311-9. S2CID  57573677.
  18. ^ а б Ноккала, Йоханнес; Мартинес-Пенья, Родриго; Джорджи, Джан Лука; Париги, Валентина; Сориано, Мигель С .; Замбрини, Роберта (08.06.2020). «Гауссовы состояния обеспечивают универсальные и универсальные вычисления квантового резервуара». arXiv:2006.04821 [Quant-ph ].
  19. ^ Маркович, Даниела; Гроллье, Джули (13.10.2020). «Квантовые нейроморфные вычисления». Письма по прикладной физике. 117 (15): 150501. arXiv:2006.15111. Bibcode:2020АпФЛ.117о0501М. Дои:10.1063/5.0020014. S2CID  210920543.
  20. ^ Ферраро, Алессандро; Оливарес, Стефано; Пэрис, Маттео Г. А. (31 марта 2005 г.). «Гауссовские состояния в непрерывной переменной квантовой информации». arXiv:Quant-ph / 0503237.
  21. ^ Рослунд, Джонатан; де Араужу, Ренне Медейрос; Цзян, Шифэн; Фабр, Клод; Трепс, Николас (2013-12-15). «Квантовые сети с мультиплексированием по длинам волн со сверхбыстрыми частотными гребенками». Природа Фотоника. 8 (2): 109–112. arXiv:1307.1216. Дои:10.1038 / nphoton.2013.340. ISSN  1749-4893. S2CID  2328402.
  22. ^ Бартлетт, Стивен Д .; Сандерс, Барри С.; Браунштейн, Сэмюэл Л .; Немото, Кэ (2002-02-14). «Эффективное классическое моделирование непрерывных переменных квантовых информационных процессов». Письма с физическими проверками. 88 (9): 097904. arXiv:Quant-ph / 0109047. Bibcode:2002PhRvL..88i7904B. Дои:10.1103 / PhysRevLett.88.097904. PMID  11864057. S2CID  2161585.
  23. ^ Nokkala, J .; Arzani, F .; Galve, F .; Zambrini, R .; Maniscalco, S .; Piilo, J .; Treps, N .; Париги, В. (09.05.2018). «Реконфигурируемая оптическая реализация квантовых сложных сетей». Новый журнал физики. 20 (5): 053024. arXiv:1708.08726. Bibcode:2018NJPh ... 20e3024N. Дои:10.1088 / 1367-2630 / aabc77. ISSN  1367-2630. S2CID  119091176.
  24. ^ Нильсен, Майкл; Чуанг, Исаак (2010), Квантовые вычисления и квантовая информация (2-е изд.), Cambridge University Press, Кембридж
  25. ^ Джон Прескилл. «Квантовые вычисления в эпоху NISQ и за ее пределами». Квантовая 2,79 (2018)
  26. ^ Фернандо, Крисанта; Соякка, Сампса (2003), «Распознавание образов в ведре», Успехи в искусственной жизни, Springer Berlin Heidelberg, стр. 588–597, Дои:10.1007/978-3-540-39432-7_63, ISBN  9783540200574, S2CID  15073928
  27. ^ Куломб, Жан С .; York, Mark C.A .; Сильвестр, Жюльен (2017-06-02). «Вычисления на сетях нелинейных механических осцилляторов». PLOS ONE. 12 (6): e0178663. arXiv:1704.06320. Bibcode:2017PLoSO..1278663C. Дои:10.1371 / journal.pone.0178663. ISSN  1932-6203. ЧВК  5456098. PMID  28575018.
  28. ^ Ду, Чао; Цай, Фуси; Зидан, Мохаммед А .; Ма, Вэнь; Ли, Сын Хван; Лу, Вэй Д. (2017). «Пластовые вычисления с использованием динамических мемристоров для обработки временной информации». Nature Communications. 8 (1): 2204. Bibcode:2017НатКо ... 8.2204D. Дои:10.1038 / s41467-017-02337-у. ISSN  2041-1723. ЧВК  5736649. PMID  29259188.

дальнейшее чтение