Группа немецких физиков представила экспериментальную вычислительную систему, основанную на движении микроскопических частиц в жидкости. Массив частиц успешно предсказал хаотический сигнал и обнаружил скрытые аномалии, но по точности уступил мемристорным резервуарам примерно в 10 раз.
Вместо кремниевых чипов и транзисторов ученые использовали крошечные сферы из диоксида кремния диаметром 3 микрометра, покрытые слоем углерода толщиной 80 нанометров. Шарики помещены в смесь воды и лутидина, нагретую до 28 °C. Лазер с длиной волны 532 нм нагревает углеродное покрытие и толкает частицу к заданной точке, но из-за задержки между фиксацией положения и перемещением луча шарик пролетает мимо цели и выходит на устойчивую орбиту.
Гидродинамические потоки между соседними частицами создают связь в системе, а входные данные подаются через смещение целевых точек. Ученые могут менять два параметра — расстояние между шариками, влияющее на силу связи, и порог демпфирования, определяющий амплитуду колебаний. В зависимости от их настройки погрешность вычислений меняется более чем в три раза. При этом система сохраняет работоспособность, даже когда сигнал подается только на 20% осцилляторов, а также в случаях, когда отдельные частицы перестают реагировать на лазер или слипаются.
В ходе экспериментов массив использовался для двух задач: прогнозирования хаотического ряда Макки — Гласса и обнаружения аномалий в сигнале. Во второй задаче, которая считалась более сложной, система показала показатель F1, равный 0,90. При одношаговом прогнозировании нормализованная среднеквадратичная ошибка составила около 0,1. Авторы работы честно признают, что по точности их система уступает резервуарным вычислениям на основе мемристоров, которые в аналогичных тестах демонстрируют ошибку порядка 0,01 или ниже.
Ученые отмечают, что их платформа принципиально отличается от большинства других физических резервуаров, включая фотонные, мемристорные и спинтронные системы, за счет отказа от временного мультиплексирования. Иными словами, все вычисления происходят одновременно благодаря потокам жидкости, а не за счет многократного использования одного элемента во времени.
Экспериментальная установка включает лазер, двухосевой акустооптический дефлектор с частотой сканирования 100 кГц, микроскопию для отслеживания частиц в реальном времени, термостатированную кварцевую ячейку и стандартный компьютер для обработки данных с использованием 1000 гауссовых ядер и метода гребневой регрессии. Хотя одной из заявленных целей исследования была энергоэффективность, количественных данных о потреблении энергии в статье не приводится. Исследователи также признают, что использование лазерного привода может ограничить практическое применение системы, и предлагают в качестве альтернативы рассмотреть более простые методы управления, например с помощью электродов.
Авторы исследования отмечают, что для вычислений не обязательно полностью понимать динамику системы, достаточно ее стабильности, чтобы использовать физические свойства непосредственно для обработки информации. Работа над проектом велась около десяти лет, и хотя практическое применение пока под вопросом, сам подход — использование движущихся частиц в жидкости как вычислительной среды — выглядит необычно и может привести к новым решениям в будущем.
Читайте также: Дополнительные частицы в семействе бозонов Хиггса могут объяснить пробелы «Стандартной модели».