_ Oamenii de știință valorifică dinamica chimică pentru complexe rezolvarea problemelor

La intersecția dintre chimie și calcul, cercetătorii de la Universitatea din Glasgow au dezvoltat un sistem de calcul probabilistic hibrid digital-chimic bazat pe reacția Belousov-Zhabotinsky (BZ) care poate fi folosit pentru rezolvarea combinației. probleme de optimizare.

Prin valorificarea naturii probabilistice inerente a reacțiilor BZ, sistemul demonstrează comportamente emergente precum replicarea și competiția văzute în sisteme complexe, care amintesc de organismele vii. Acest lucru ar putea deschide calea pentru noi abordări ale sarcinilor de calcul, care sunt deranjate de limitările impuse de calculul modern.

Combinarea controlului electronic și a dinamicii chimice oferă o modalitate de a efectua calcule eficiente, combinând cele mai bune dintre ambele către dezvoltarea de platforme de calcul adaptative, bio-inspirate, cu eficiență și scalabilitate de neegalat.

Cercetarea condusă de prof. Leroy Cronin, Catedra Regius de Chimie la Universitatea din Glasgow, a fost publicată în Nature Communications. Prof. Cronin a vorbit cu Phys.org despre munca lor și și-a declarat motivația în urma urmăririi aceleiași.

„Am vrut să văd dacă am putea realiza un nou tip de sistem de procesare a informațiilor chimice, deoarece sunt inspirat de modul în care biologia poate procesa informații în creierul umed”, a spus el.

Calculul modern se bazează pe tranzistori, blocurile de construcție ale dispozitivelor electronice, care sunt folosite pentru a crea porți logice și celule de memorie, formând baza circuitelor digitale. Dar, nevoia și cererea de mai multă putere de calcul înseamnă că tranzistoarele devin din ce în ce mai mici.

Miniaturizarea tranzistorilor are mai multe limitări din cauza constrângerilor impuse de fabrici și de legile fizicii. Cu cât tranzistorul este mai mic, cu atât este mai greu de fabricat și necesită mai multă putere, disipând mai multă căldură și fiind din ce în ce mai puțin eficient energetic.

Acest lucru i-a determinat pe oamenii de știință să exploreze alte tipuri de calcul, cum ar fi calculul cuantic, care, deși sunt extrem de puternice în rezolvarea problemelor, computerele clasice nu pot suferi de probleme de scalabilitate din cauza corectării erorilor.

Pe de altă parte, calculul bazat pe procese fizice, cum ar fi reacțiile chimice, utilizează un amestec de sisteme. precum digitale, chimice și optice. Acest lucru deschide noi căi pentru arhitecturi de calcul neconvenționale, cu capacități dincolo de sistemele digitale tradiționale.

Reacția BZ este un exemplu clasic de oscilator chimic, cu concentrațiile de reactant și de produs suferind modificări periodice. Se observă în multe sisteme chimice, cum ar fi setările de laborator și sistemele biologice.

Abilitatea reacției BZ de a prezenta o dinamică complexă, neliniară o face o alegere atractivă pentru studierea fenomenelor emergente și a paradigmelor de calcul neconvenționale.

În această cercetare, reacția BZ servește ca fundație pentru un sistem de calcul hibrid datorită comportamentului său oscilator inerent, adaptabilității și receptivității la stimuli externi. Prin valorificarea dinamicii reacțiilor BZ, cercetătorii pot emula comportamente complexe observate în sistemele naturale, oferind o platformă versatilă pentru calcul.

Concentrațiile pot servi ca informații binare (cu 0 fiind concentrații scăzute și 1 pentru concentrații mari). ) iar concentrațiile oscilante pot servi ca variabile dependente de timp. În plus, informațiile se pot propaga între celulele individuale care au reacții BZ prin procese precum difuzia.

Prof. Cronin a explicat în continuare: „Reacția are două stări pornite și oprite și fiecare casetă [sau celulă] din rețea poate clipi independent, sincronizat sau după comunicare. Acesta este procesul prin care sistemul poate fi programat pentru a calcula o problemă. care este apoi citită de cameră.”

Nucleul procesorului de informații este o rețea imprimată 3D de reactoare interconectate. Fiecare reactor sau celulă găzduiește reacția BZ, făcându-l o serie de reacții BZ.

Intrarea în această matrice este electronică și este controlată de agitatoare magnetice capabile să manipuleze reacția din aceste celule. Există, de asemenea, agitatoare interfațiale capabile să faciliteze interacțiunile dintre celulele cuplate (prin difuzie), acest lucru ajută la sincronizarea oscilațiilor.

Cercetătorii au observat că oscilațiile concentrațiilor de reactant și de produs apar ca oscilații amortizate forțat, agitatoarele joacă un rol crucial în controlul lor.

Acest comportament este o trăsătură caracteristică reacțiilor BZ, în care speciile chimice suferă modificări periodice ale concentrației în timp. Aceste modificări sunt observate de modificările de culoare a lichidelor.

Procesarea de ieșire implică două componente cheie: o rețea neuronală convoluțională (CNN) și o mașină de recunoaștere cu stări finite (rfsm). Aceste componente analizează concentrațiile de reactant și de produs în cadrul reacției BZ, care sunt capturate cu ajutorul camerelor video.

CNN clasifică concentrațiile în stări chimice discrete, în timp ce rfsm determină starea chimică corespunzătoare pe baza acestei clasificări.

În termeni simpli, stările chimice discrete sunt clasificate și determinate pe baza concentrațiilor de reactanți și produși din cadrul reacției BZ, care sunt ele însele probabiliste datorită naturii reacțiilor.

> Natura probabilistică apare deoarece reacția BZ este neliniară, rezultând interacțiuni complexe între speciile chimice care prezintă variabilitate inerentă și imprevizibilitate în comportamentul lor în timp.

Întregul sistem funcționează fără probleme și continuu pe baza unei buclă de feedback bazată pe culorile schimbătoare ale lichidului. Când concentrațiile oscilează, sistemul este „pornit” indicat de culorile albastre și când există o lipsă de oscilații, lichidele sunt roșii, ceea ce înseamnă că sistemul este „oprit”.

Această buclă manipulează agitatoarele. pe baza culorilor, asigurându-se că procesul este continuu cu ajutorul controlului „forțat” sau extern.

Cercetătorii au folosit procesorul hibrid pentru a-și prezenta capacitatea de calcul prin implementarea automatelor celulare chimice (CCA) în 1D și 2D.

Acestea sunt modele matematice pentru a simula sisteme complexe compuse din componente simple care interacționează local între ele în conformitate cu reguli predefinite.

Acest lucru duce la comportamente emergente, cum ar fi replicarea și competiția expuse. de „chimiți”, care sunt entități multicelulare definite de modele de concentrații chimice în grila reactoarelor interconectate care găzduiesc reacția BZ.

Aceste comportamente seamănă cu cele observate la organismele vii și contribuie la complexitatea și adaptabilitatea sistem de calcul.

Mai mult, cercetătorii demonstrează că abordarea lor computațională, care încorporează atât componente electronice, cât și chimice, poate aborda eficient provocările de optimizare combinatorie, cum ar fi problema vânzătorului ambulant.

Cu privire la partea aplicativă a lucrurilor, sisteme hibride ca acestea ar putea fi foarte utile pentru sarcinile de învățare profundă care necesită un comportament neliniar. Sistemele chimice oferă în mod inerent astfel de caracteristici, făcând arhitecturile de calcul hibride eficiente din punct de vedere al resurselor pentru probleme specifice în care neliniaritățile și comportamentul probabilistic sunt vitale.

Prof. Cornin a adăugat: „Văd că o versiune solid-state ar putea înlocui hardware-ul de inteligență artificială și poate fi instruită mult mai ușor.”

În viitor, el dorește să exploreze miniaturizarea acestei tehnologii și să mărească dimensiunea grilă pentru a rezolva probleme cu adevărat mari.

© 2024 Science X Network

(Fluierul)