Мозък + квантови компютри = NeuroSA: нов алгоритъм намира решения там, където другите ИИ се отказват

Системата ще ускори създаването на лекарства 100 пъти, мощно ще подпомогне логистиката…

Група американски изследователи са създали изчислителна система, която е в състояние самостоятелно да намира принципно нови решения на най-сложните проблеми. Разработката носи името NeuroSA и съчетава два съвременни подхода: принципите на човешкия мозък и квантово-механичните ефекти.

Научният екип от Вашингтонския университет в Сейнт Луис е ръководен от професор Шантану Чакрабарти. Той обяснява същността на проблема с примера на кубчето на Рубик. За да сглобите класическия пъзел 3×3, трябва само да запомните определена последователност от ходове и да следвате точно инструкциите. Съвременните компютри се справят блестящо с подобни алгоритмични изчисления. Много реални проблеми обаче нямат готови методи за решаване, а броят на възможните варианти при тях надхвърля всички възможни граници.

Тези ситуации изискват специален математически подход. Тук професорът дава друг нагледен пример: търсенето на най-високата сграда в университетския кампус. Нереалистично е да се измери всяка сграда подред – това би отнело месеци. Изследователят постоянно трябва да мисли: да продължи да изучава текущата територия или да се премести в друг квартал? Това е вид стратегическа дилема, която сега невронната мрежа може ефективно да реши.

Основата на NeuroSA е невроморфната архитектура – специална организация на електронните схеми, която възпроизвежда принципите на функциониране на живите организми. Подобно на биологичен мозък с милиарди свързани помежду си неврони, тя обработва данните чрез мрежа от специализирани микропроцесори, които обменят сигнали подобно на естествените нервни клетки.

Въпреки това само биологичният модел не е достатъчен за постигане на максимална производителност. Авторите го интегрират с метода на квантовото отгряване на Фаулър-Нордхайм – техника, базирана на фундаменталните принципи на микрокосмоса, за изследване на пространството от възможните резултати.

Терминът „квантово отгряване“ е заимстван от металургията, където материалите се охлаждат бавно, за да се подобри тяхната кристална структура. При компютърните изчисления този процес е аналогичен на постепенния преход от активно изследване на различните варианти към затвърждаване на намерения оптимален вариант. Квантово-механичният ефект на тунелирането на електроните, открит от учените Ралф Фаулър и Лотар Нордхайм, позволява да се преодолеят енергийните бариери между състоянията, което радикално ускорява изчисленията.

Съчетаването на изкуствената нервна система с принципите на квантовия свят доведе до изненадващи резултати. При решаването на сложни проблеми конвенционалните алгоритми често приемат междинни решения, които не са най-ефективните, но изглеждат приемливи, както пътникът в планината може да реши, че е достигнал върха, въпреки че се намира само на неголямо възвишение. NeuroSA благодарение на специалните свойства на микрокосмоса е в състояние да „види“ цялата картина и да намери наистина най-добрите варианти, дори ако това отнема време: от няколко дни до няколко месеца, в зависимост от мащаба на целта.

Теоретичните изследвания вече са приложени на практика. Заедно със SpiNNcloud Systems изследователите са създали работещ прототип, базиран на специализирания компютър SpiNNaker2. Тази уникална машина е проектирана по образ и подобие на човешкия мозък, което я прави идеална основа за реализиране на иновативните идеи на екипа на Чакрабарти.

Основната особеност на SpiNNaker2 се крие в неговата конструкция: вместо един мощен процесор, компютърът съдържа хиляди малки изчислителни елементи, работещи паралелно – точно като истински неврони. Всеки такъв елемент отговаря за обработката на сигналите от определена група изкуствени клетки. Всички тези миниатюрни процесори са свързани помежду си със сложна мрежа от електронни връзки, които имитират работата на естествените нервни влакна. Компютърът използва минимално количество енергия, като извършва дори най-сложните изчисления със забележителна ефективност.

Приложенията на NeuroSA обхващат много индустрии. В транспортната индустрия алгоритъмът ще намери идеалните маршрути, като вземе предвид десетките параметри: от трафика и метеорологичните условия до режима на складовите комплекси и спецификата на превозваните стоки. При производствените линии технологията оптимизира зареждането на машините, разпределението на материалите и последователността на операциите.

Фармацевтиката също има впечатляващи перспективи. Така например създаването на медицински продукти е тясно свързано с изучаването на пространствената организация на протеините – сложни молекули с множество конформации. Формата на протеиновата верига определя нейните характеристики и способността ѝ да реагира с другите съединения. NeuroSA анализира огромния брой вариации в структурата, за да открие конфигурации с желаното терапевтично действие.

Представете си дълга верига от аминокиселини, която трябва да се сгъне по определен начин, за да се превърне в работещ протеин. При това молекулата търси най-стабилната позиция, подобно на топка, която се търкаля по сложен терен в търсене на най-дълбоката вдлъбнатина. По пътя си протеинът трябва да премине през много временни форми, преди да намери идеалната. От друга страна, NeuroSA последователно изследва различните варианти на структурата на молекулата, но благодарение на квантовите ефекти може мигновено да „прескача“ от едно състояние в друго, заобикаляйки междинните етапи. Това дава възможност да се намери правилното решение много по-бързо, отколкото с традиционните методи.

Разработката на NeuroSA е подкрепена от редица институции, включително Office of Energy Efficiency and Renewable Energy’s Advanced Manufacturing Technology Office и SLAC National Accelerator Laboratory. Тези сътрудничества осигуриха необходимите ресурси и експертен опит, което подпомогна успеха на проекта. С управлението на интелектуалната собственост се занимава Вашингтонският университет в Сейнт Луис, с което се признава значителният му принос към инициативата.