Računanje z valovi

Raziskovalca z avstralskih univerz v svojem članku, objavljenem v reviji Europhysics letters, poročata o prvem eksperimentu, v katerem so bili vodni valovi uporabljeni kot sistem za napovedovanje kaotičnih procesov.

Pojave, kot je turbulenca, vreme ali borza, je težko napovedovati, saj so to kaotični sistemi. Zaradi njihove kompleksnosti je deterministična napoved izida teh procesov praktično nemogoča, zato se za njihovo napovedovanje zatečemo k specializiranim algoritmom. Eden izmed teh je tako imenovano rezervoarsko računanje – razred algoritmov strojnega učenja.

Sistem za rezervoarsko računanje sestavlja plast za hitro zajemanje podatkov, ki podatke posreduje mnogo počasnejši nevronski mreži, ki ji pravimo rezervoar. Rezervoar je nelinearen, kar pomeni, da spremembe v vhodu niso sorazmerne s spremembami v izhodu; ravno to omogoča reševanje kompleksnih problemov, kot so kaotični procesi. Prav tako ima rezervoar nekakšen spomin; informacije v njem se vsaj nekaj časa ohranjajo. Čeprav so rezervoarji abstraktni sistemi, so zanje tekočine, kot je npr. voda, dobri približki.

Raziskovalca sta uspela postaviti prvi fizični sistem za rezervoarsko računanje z valovi v tekočini. Vodo sta črpala na rahlo nagnjeno ploščo, tako da se je na plošči izoblikovala tanka plast tekoče vode. S spreminjanjem hitrosti črpanja sta v plasti ustvarila valove. Ti so se v sistemu zadrževali, dokler se niso porazgubili, pri čemer so ohranjali svojo obliko. Informacije so v tem sistemu predstavljali vodni valovi; sistem je imel tudi spomin, saj so se valovi, kot rečeno, nekaj časa ohranjali.

Na postavitvi je dvojec opravil nekatere standardne teste za napovedovanje kaotičnih procesov; zanimivejši od teh je bil test spominske kapacitete. S testom sta raziskovalca ocenila, koliko časa se informacija ohranja v sistemu oziroma koliko časa valovi potujejo, preden se porazgubijo. Ugotovila sta, da uspe eksperimentalni sistem ohraniti nekatere informacije dovolj časa, da doseže napovedano količino spomina. To pomeni, da sistem izpolnjuje eno glavnih zahtev za rezervoarsko računanje; ima spomin. Poleg tega pa je test spomina pokazal tudi, da ima rezervoar, zasnovan na tekočini, kar za red velikosti več spomina od rezervoarjev, zasnovanih na optičnih pojavih.

Področje rezervoarskih sistemov je relativno mlado, saj se razvija s strojnim učenjem. Za tem namreč stoji nevronska mreža, ki interpretira podatke iz valov. Če uspemo to nevronsko mrežo dobro naučiti na sistemih, kot je ta v raziskavi, bomo lahko to nevronsko mrežo uporabili na sistemih s podobnim nelinearnim obnašanjem. Tako bi lahko napovedovali obnašanje raznih kaotičnih procesov, od vremena do delovanja borz in finančnih trgov.

Z radijskimi valovi je kaotični Zbritoff napovedal Oskar.

Vir slike: Roger McLassus, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons, link