Stanford teki kvanttispinilasista assosiatiivisen muistin

Assosiatiivinen muisti palauttaa kokonaisen tallennetun kuvion, vaikka vihje olisi puutteellinen tai häiriintynyt. Stanfordin fyysikko Benjamin Levin ryhmä osoitti tällaisen toiminnan ultrakylmistä atomeista ja valosta rakennetussa, ajetussa ja häviöllisessä verkossa. Erikoista on, että tutkijat käyttivät muistiresurssina juuri sellaista monimutkaista spinilasikäyttäytymistä, joka tavallisesti rajoittaa klassista Hopfield-verkkoa. 16 spin järjestelmässä ryhmä raportoi tallennuskapasiteetin, joka oli enimmillään seitsemänkertainen klassiseen Hopfield-rajaan nähden. 14

Atomipilvet olivat solmuja, ontelon valomuodot synapseja

Koealusta on monimuotoinen, lähes konfokaalinen optinen ontelo, jonka sisällä on Bose–Einstein-kondensaatteja eli erittäin kylmiä atomikaasuja. Jokainen loukkuun asetettu atomiryhmä toimii efektiivisenä spininä eli verkon solmuna. Ontelo tukee useita valomuotoja, ja niiden kautta siroavat fotonit välittävät atomispinien välisiä vuorovaikutuksia. Neuroverkkovertausta käyttäen atomiryhmät ovat neuroneja ja ontelon valomuodot synaptisia yhteyksiä. 324

Ratkaisevaa on yhteyksien kantama: fotonivälitteiset vuorovaikutukset voivat kytkeä spinejä toisiinsa pitkiltä etäisyyksiltä, eivät vain lähinaapureihin. Yhteydet ovat käytännössä kaikki-kaikkiin-tyyppisiä, ja niiden etumerkki voi vaihdella. Tämä tuottaa spinilasille ominaisen turhautuneen kytkentärakenteen. 29

Muistikuviot voidaan koodata verkon kytkentöihin ja lukea optisesti. Ontelovaloa käytetään verkon tulo- ja lähtötilojen mittaamiseen, joten voidaan seurata, hakeutuuko osittainen kuvio kohti tallennettua muistia. 2414

Miksi spinilasi on tavallisesti ongelma

Klassisessa Hopfield-mallissa muistot ovat hyödyllisiä attraktoreita: verkon tila pyrkii niihin, kun spinien välillä on kaikki-kaikkiin-kytkennät. Kun tallennettavia kuvioita lisätään liikaa, keskenään kilpailevat rajoitteet aiheuttavat turhautumista. Energiamaastoon syntyy silloin paljon tahattomia eli spuriaaleja minimejä – verkko siirtyy spinilasivaiheeseen. Tasapainodynamiikassa nämä ylimääräiset minimit heikentävät luotettavaa muistihakua. 28

16 spin verkolle tunnettu termodynaaminen Hopfield-arvio, noin (0{,}14N), vastaa noin 3,6 tallennettua kuviota. Se on teoreettinen vertailukohta, ei väite siitä, että jokaisen rajallisen 16 solmun Hopfield-toteutuksen pitäisi palauttaa täsmälleen 3,6 muistoa.

Tasapainon ulkopuolella lasimaisista tiloista tuli muistoja

Levin ryhmä ei käyttänyt laitetta tasapainossa toimivana Hopfield-verkkona. Järjestelmä on ajettu ja dissipatiivinen: ulkoinen optinen ajaminen tuo energiaa atomi–fotoni-järjestelmään, kun taas fotonihäviöt ja muut dissipaatiokanavat poistavat sitä. Tällainen tasapainon ulkopuolinen dynamiikka muuttaa sitä, mitkä tilat ovat vakaita ja toistettavia.

Kokeen keskeinen tulos on, että lasimaiset minimit, jotka tasapainotilanteessa olisivat muistinhaun kannalta haitallisia, voivat tässä asetelmassa muuttua luotettaviksi attraktoreiksi. Ryhmä raportoi 16 spin verkossaan assosiatiivisen muistin kapasiteetin, joka ylitti Hopfield-rajan enimmillään seitsemänkertaisesti. 14

Kokeesta kertovien raporttien mukaan 16 spin asetelma palautti noin 12 muistoa verrattuna noin 3,6 kuvion Hopfield-vertailuarvoon. Kun atomiloukkuja löysättiin, kapasiteetin raportoitiin kasvaneen noin 25 muistoon. Tutkimuksen päävertailu on silti enimmillään seitsemänkertainen parannus; pienen verkon tuloksia on pidettävä periaatedemonstraationa, ei yleisenä skaalautumislakina tekoälylle. 411

Atomien liike tuo hetkellistä plastisuutta

Atomiryhmät eivät ole liikkumattomia, matemaattisia spinejä. Niiden liike kytkeytyy fotonien välittämiin spinivuorovaikutuksiin: tietty spinien kokoonpano voi muuttaa atomipilvien liiketilaa, ja muuttunut liike voi puolestaan muokata verkon kytkentöjä.

Tutkijat kutsuvat ilmiötä polaroniseksi ”elastisuudeksi”. Toiminnallisesti se tekee efektiivisistä synapsikytkennöistä aktiivisuudesta riippuvia ja ajan myötä muuttuvia. Äskettäiset verkkotilat voivat siis vaikuttaa seuraavaan muistihakuprosessiin. Ryhmä vertaa palautetta lyhytkestoiseen synaptiseen plastisuuteen, ei pysyvään painojen oppimiseen tai mallin kouluttamiseen. 14

Löyhemmät loukut antavat atomien liikkua enemmän, ja raportoiduissa tuloksissa tämä liittyi suurempaan muistikapasiteettiin. Atomien liike ei siis tässä alustassa ole vain kokeellinen häiriötekijä, vaan mahdollisesti aktiivinen laskennallinen ainesosa. 411

Mitä tulos osoittaa – ja mitä ei

Työ osoittaa kokeellisen reitin assosiatiiviseen muistiin, joka perustuu kollektiiviseen, tasapainon ulkopuoliseen atomi–fotoni-dynamiikkaan. Se tarjoaa myös poikkeuksellisen suoran mahdollisuuden hallita ja kuvantaa ajettua, dissipatiivista spinilasiverkkoa mikroskooppisesti. Ryhmän lähityössä on toteutettu ontelo-QED-spinilasiverkkoja, joissa on enintään 25 efektiivistä spiniä. 2930

Tulos ei osoita käytännössä käyttöönotettavaa korvaajaa näytönohjaimille, perinteiselle muistille tai huoneenlämpöiselle neuroverkkoraudalle. Koelaitteisto tarvitsee ultrakylmiä atomikaasuja, optisia loukkuja, tarkkuuslasereita, korkean tyhjiön ja vakautetun monimuotoisen optisen ontelon. Kokonaisenergiankulutukseen on sisällytettävä myös tämä tukevan infrastruktuurin vaatima energia; nykyinen näyttö ei osoita tekoälylaskennalle kokonaisuutena energiatehokkuusetua.

Tutkimussuunta on silti kiinnostava, koska se viittaa siihen, että adaptiivisia kytkentöjä ja tasapainon ulkopuolisia kollektiivisia ilmiöitä hyödyntävät fysikaaliset järjestelmät voivat tarjota vaihtoehtoja digitaalisille toteutuksille tietyissä muisti- ja optimointitehtävissä. Ryhmän julkaisut viittaavat myös jatkotyöhön ajettujen dissipatiivisten spinilasien sekä kvantti-ilmiöiden, kuten lomittumisen, parissa. Se, syntyykö näistä aineksista hyödyllinen suuren mittakaavan laskennallinen etu, on vielä avoin kokeellinen kysymys. 629