Компьютер, работающий на водяных волнах, учится предсказывать будущее

В рамках исследования, проведенного двумя австралийскими университетами, ученые создали прототип компьютера, который использует вместо традиционного процессора с логической схемой проточную воду. Он прогнозирует будущее с помощью подхода, названного «вычислительным резервуаром».

В контрольных тестах аналоговый компьютер справился с запоминанием входных данных и прогнозированием будущих событий. В некоторых случаях результаты оказались даже лучше, чем у высокопроизводительного цифрового компьютера. И кстати, он намного энергоэффективнее больших машин.

Представьте себе двух детей, Алису и Боба, играющих на берегу пруда. Боб бросает в воду большие и маленькие камни по одному, казалось бы, наугад. Камни создают на воде волны разного размера. Алиса наблюдает за волнами и учится предсказывать, как волны будут распространяться по поверхности, и, исходя из этого, старается предположить, какой камень Боб бросит следующим.

Компьютеры-резервуары копируют процесс рассуждений, происходящий в мозгу Алисы. Они учатся на прошлых данных, чтобы предсказывать будущие события.

Хотя резервуарные компьютеры были впервые разработаны на основе нейронных сетей — компьютерных программ, в общих чертах похожих на структуру нейронов в мозге, — подобные машины могут быть построены на основе гораздо более простых физических систем.

Резервуарные компьютеры — это аналоговые машины. Аналоговый компьютер получает и выдает данные в виде непрерывного потока состояний в отличии от цифровых компьютеров, которые представляют данные в виде дискретных двоичных состояний «ноль» и «единица».

Непрерывное представление данных позволяет аналоговым компьютерам моделировать определенные природные события — те, которые происходят в непредсказуемой последовательности, называемой «хаотическим временным рядом» — лучше, чем с этим справляются цифровые машины.

Чтобы понять, как мы можем использовать резервуарный компьютер для прогнозирования, представьте, что у вас есть запись ежедневных осадков за последний год и ведро, наполненное водой. Ведро будет нашим «вычислительным резервуаром».

Мы вводим данные о ежедневных осадках в ведро с помощью камня. В день небольшого дождя мы бросаем маленький камень, в день сильного дождя — большой. В день, когда дождя нет, мы ничего не бросаем .

Каждый камень создает волны, которые распространяются по ведру и взаимодействуют с волнами, созданными камнями, которые мы бросали раньше.

В результате состояние воды в ведре дает нам прогноз. Если взаимодействие между волнами создает новые большие волны, мы можем сказать, что наш резервуарный компьютер предсказывает сильные дожди. Но если волны будут маленькими, то нам следует ожидать лишь небольшого дождя.

В некоторых случаях волны будут гасить друг друга, образуя неподвижную водную поверхность. В этом случае мы предсказываем отсутствие осадков.

Резервуарный компьютер может предсказывать погоду, потому что волны в ведре и характер осадков развиваются во времени по одним и тем же законам физики. Так же ведут себя и многие другие природные и социально-экономические процессы. Это означает, что резервуарный компьютер может прогнозировать состояние финансовых рынков и другие виды человеческой деятельности.

Резервуарный компьютер «ведро воды» имеет свои ограничения. Во-первых, волны недолговечны. Для прогнозирования сложных процессов, таких как изменение климата или рост населения, нам нужен водоем с более долговечными волнами.

Один из вариантов это — «солитоны». Это особые волны, которые усиливают сами себя, сохраняют свою форму и могут распространяться на большие расстояния.

Для компьютера-резервуара ученые использовали компактные солитоноподобные волны. Вы часто видите такие волны в раковине или в ванной или в питьевом фонтанчике.

В прототипе компьютера тонкий слой воды течет по слегка наклоненной металлической пластине. Небольшой электрический насос изменяет скорость потока и создает одиночные волны.

Ученые добавили флуоресцентный материал, чтобы заставить воду светиться под ультрафиолетовым светом. Это позволило точно измерить размер волн.

Насос играет роль падающих камней в игре, в которую играют Алиса и Боб, а одиночные волны соответствуют волнам на поверхности воды в пруду. Одиночные волны движутся гораздо быстрее и живут дольше, чем волны на воде в пруду или ведре, что позволяет компьютеру обрабатывать данные с большей скоростью.

Ученые проверили способность прототипа запоминать данные и делать прогнозы для эталонного набора хаотичных и случайных данных. Компьютер вполне справился. Он не только выполнил все задачи, но и превзошел высокопроизводительный цифровой компьютер, перед которым была поставлена та же задача.

Ученые создали математическую модель, которая позволила лучше понять физические свойства единичных волн.

Следующим шагом должна стать разработка миниатюрного микрофлюидного процессора. Водные волны будут выполнять вычисления внутри чипа, который работает аналогично кремниевым, используемым в каждом смартфоне.

Ученые надеются, что в будущем такой «водный компьютер» сможет делать надежные долгосрочные прогнозы в таких областях, как изменение климата, лесные пожары и финансовые рынки, причем при гораздо меньшей стоимости и большей доступности, чем нынешние суперкомпьютеры.

Есть и еще одно преимущество резервуарного компьютера: он обладает естественным иммунитетом к кибератакам, поскольку не использует цифровые данные.

Работа продолжается.