Kecerdasan Data Generatif

Kuantum

Pemecahan optimasi kombinatorial dengan mesin Ising yang koheren berdasarkan jaringan saraf spiking

Diterbitkan ulang oleh Plato
Diterbitkan ulang oleh Plato

Tanggal:

views: 0

Bo Lu1, Yong-Pan Gao2, Kai Wen3, dan Chuan Wang1

1Sekolah Kecerdasan Buatan, Universitas Normal Beijing, Beijing 100875, Tiongkok
2Sekolah Teknik Elektronika, Universitas Pos dan Telekomunikasi Beijing, Beijing 100876, Cina
3Beijing QBoson Quantum Technology Co., Ltd., Beijing 100015, Cina

Apakah makalah ini menarik atau ingin dibahas? Scite atau tinggalkan komentar di SciRate.

Abstrak

Spiking neural network merupakan salah satu jenis komputasi neuromorfik yang diyakini dapat meningkatkan tingkat kecerdasan dan memberikan keuntungan bagi komputasi kuantum. Dalam karya ini, kami mengatasi masalah ini dengan merancang jaringan saraf spiking optik dan menemukan bahwa jaringan tersebut dapat digunakan untuk mempercepat kecepatan komputasi, terutama pada masalah optimasi kombinatorial. Di sini jaringan saraf spiking dibangun oleh pulsa osilator parametrik optik degenerasi yang digabungkan secara antisimetris dan pulsa disipatif. Fungsi transfer nonlinier dipilih untuk mengurangi ketidakhomogenan amplitudo dan mengganggu kestabilan minimum lokal yang dihasilkan sesuai dengan perilaku dinamis neuron yang melonjak. Secara numerik ditunjukkan bahwa mesin Ising koheren jaringan saraf spiking memiliki kinerja yang sangat baik pada masalah optimasi kombinatorial, yang diharapkan dapat menawarkan aplikasi baru untuk komputasi saraf dan komputasi optik.

Gambar unggulan: Implementasi optik Mesin Ising-Koheren Jaringan Neural Spiking

► data BibTeX

► Referensi

[1] Douglas B Kitchen, Hélène Decornez, John R Furr, dan Jürgen Bajorath. “Docking dan scoring dalam skrining virtual untuk penemuan obat: metode dan aplikasi”. Tinjauan alam Penemuan obat 3, 935–949 (2004).
https://​/​doi.org/​10.1038/​nrd1549

[2] Amparo Soler-Dominguez, Angel A Juan, dan Renatas Kizys. “Survei tentang penerapan keuangan metaheuristik”. Survei Komputasi ACM (CSUR) 50, 1–23 (2017). url: doi.org/​10.1145/​3054133.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3054133

[3] Francisco Barahona, Martin Grötschel, Michael Jünger, dan Gerhard Reinelt. “Penerapan optimasi kombinatorial pada fisika statistik dan desain tata letak sirkuit”. Riset Operasi 36, 493–513 (1988). arXiv:https:/​/​doi.org/​10.1287/​opre.36.3.493.
https: / / doi.org/ 10.1287 / opre.36.3.493
arXiv:https://doi.org/10.1287/opre.36.3.493

[4] Sanjeev Arora dan Boaz Barak. “Kompleksitas komputasi: pendekatan modern” (2009).

[5] Tadashi Kadowaki dan Hidetoshi Nishimori. “Anil kuantum dalam model icing melintang”. Tinjauan Fisik E 58, 5355 (1998). url: doi.org/​10.1103/​PhysRevE.58.5355.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.58.5355

[6] Arnab Das dan Bikas K Chakrabarti. “Kolokium: Anil kuantum dan komputasi kuantum analog”. Review Fisika Modern 80, 1061 (2008). url: doi.org/​10.1103/​RevModPhys.80.1061.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.80.1061

[7] Zhe Wang, Alireza Marandi, Kai Wen, Robert L Byer, dan Yoshihisa Yamamoto. “Mesin ising koheren berdasarkan osilator parametrik optik yang mengalami degenerasi”. Tinjauan Fisik A 88, 063853 (2013). url: doi.org/​10.1103/​PhysRevA.88.063853.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.88.063853

[8] Brian Sutton, Kerem Yunus Camsari, Behtash Behin-Aein, dan Supriyo Datta. “Optimasi intrinsik menggunakan nanomagnet stokastik”. Laporan Ilmiah 7, 1–9 (2017). url: doi.org/​10.1038/​srep44370.
https: / / doi.org/ 10.1038 / srep44370

[9] Michael Saccone, Francesco Caravelli, Kevin Hofhuis, Sergii Parchenko, Yorick A Birkhölzer, Scott Dhuey, Armin Kleibert, Sebastiaan Van Dijken, Cristiano Nisoli, dan Alan Farhan. “Pengamatan langsung transisi kaca dinamis dalam jaringan hopfield buatan nanomagnetik”. Fisika Alam 18, 517–521 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01538-7

[10] Ryan Hamerly, Takahiro Inagaki, Peter L McMahon, Davide Venturelli, Alireza Marandi, Tatsuhiro Onodera, Edwin Ng, Carsten Langrock, Kensuke Inaba, Toshimori Honjo, dkk. “Investigasi eksperimental perbedaan kinerja antara mesin ising koheren dan anil kuantum”. Kemajuan ilmu pengetahuan 5, eaau0823 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.aau0823

[11] Alireza Marandi, Zhe Wang, Kenta Takata, Robert L Byer, dan Yoshihisa Yamamoto. “Jaringan osilator parametrik optik multipleks waktu sebagai mesin ising yang koheren”. Fotonik Alam 8, 937–942 (2014). url: doi.org/​10.1038/​nphoton.2014.249.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2014.249

[12] Takahiro Inagaki, Kensuke Inaba, Ryan Hamerly, Kyo Inoue, Yoshihisa Yamamoto, dan Hiroki Takesue. “Jaringan putaran ising skala besar berdasarkan osilator parametrik optik yang mengalami degenerasi”. Fotonik Alam 10, 415–419 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2016.68

[13] Peter L McMahon, Alireza Marandi, Yoshitaka Haribara, Ryan Hamerly, Carsten Langrock, Shuhei Tamate, Takahiro Inagaki, Hiroki Takesue, Shoko Utsunomiya, Kazuyuki Aihara, dkk. “Mesin koheren 100 putaran yang dapat diprogram sepenuhnya dengan koneksi menyeluruh”. Sains 354, 614–617 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aah5178

[14] Takahiro Inagaki, Yoshitaka Haribara, Koji Igarashi, Tomohiro Sonobe, Shuhei Tamate, Toshimori Honjo, Alireza Marandi, Peter L McMahon, Takeshi Umeki, Koji Enbutsu, dkk. “Mesin yang koheren untuk masalah optimasi 2000 node”. Sains 354, 603–606 (2016). url: doi.org/​10.1126/​science.aah4243.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aah4243

[15] Toshimori Honjo, Tomohiro Sonobe, Kensuke Inaba, Takahiro Inagaki, Takuya Ikuta, Yasuhiro Yamada, Takushi Kazama, Koji Enbutsu, Takeshi Umeki, Ryoichi Kasahara, dkk. “Mesin ising koheren 100,000 putaran”. Kemajuan sains 7, eabh0952 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abh0952

[16] Fabian, Bhm, Guy, Verschaffelt, Van, der, dan Sande. “Mesin koheren orang miskin berdasarkan sistem umpan balik optoelektronik untuk memecahkan masalah optimasi.”. Komunikasi alam 10, 3538–3538 (2019). url: doi.org/​10.1038/​s41467-019-11484-3.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-019-11484-3

[17] Qizhuang Cen, Tengfei Hao, Hao Ding, Shanhong Guan, Zhiqiang Qin, Kun Xu, Yitang Dai, dan Ming Li. “Mesin pengisap fotonik microwave” (2020). arXiv:2011.00064.
arXiv: 2011.00064

[18] D Pierangeli, G Marcucci, dan C Conti. “Mesin fotonik skala besar dengan modulasi cahaya spasial”. Surat Tinjauan Fisik 122, 213902 (2019). url: doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.122.213902.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.213902

[19] Yisheng Fang, Junyi Huang, dan Zhichao Ruan. “Pengamatan eksperimental transisi fase dalam mesin fotonik spasial”. Surat Tinjauan Fisik 127, 043902 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.043902

[20] Wenchen Sun, Wenjia Zhang, Yuanyuan Liu, Qingwen Liu, dan Zuyuan He. “Mesin pengisap spasial fotonik segi empat”. Surat Optik 47, 1498–1501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OL.446789

[21] Yoshitomo Okawachi, Mengjie Yu, Jae K Jang, Xingchen Ji, Yun Zhao, Bok Young Kim, Michal Lipson, dan Alexander L Gaeta. “Demonstrasi osilator parametrik optik degenerasi berpasangan berbasis chip untuk mewujudkan spin-glass nanofotonik”. Komunikasi alam 11, 1–7 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-17919-6

[22] Timothée Leleu, Yoshihisa Yamamoto, Shoko Utsunomiya, dan Kazuyuki Aihara. “Optimasi kombinatorial menggunakan transisi fase dinamis dalam sistem disipatif yang digerakkan”. Fis. Pdt.E 95, 022118 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreve.95.022118

[23] Fabian Böhm, Thomas Van Vaerenbergh, Guy Verschaffelt, dan Guy Van der Sande. “Perbedaan urutan besarnya dalam kinerja komputasi mesin analog yang disebabkan oleh pilihan nonlinier”. Fisika Komunikasi 4, 1–11 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42005-021-00655-8

[24] Sam Reifenstein, Satoshi Kako, Farad Khoyratee, Timothee Leleu, dan Yoshihisa Yamamoto. “Mesin koheren dengan sirkuit koreksi kesalahan optik”. Teknologi Kuantum Tingkat Lanjut 4, 2100077 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1002 / qute.202100077

[25] Timothée Leleu, Yoshihisa Yamamoto, Peter L. McMahon, dan Kazuyuki Aihara. “Destabilisasi minimum lokal dalam sistem putaran analog dengan koreksi heterogenitas amplitudo”. Fis. Pendeta Lett. 122, 040607 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.040607

[26] Satoshi Kako, Timothée Leleu, Yoshitaka Inui, Farad Khoyratee, Sam Reifenstein, dan Yoshihisa Yamamoto. “Mesin yang koheren dengan umpan balik koreksi kesalahan”. Teknologi Kuantum Tingkat Lanjut 3, 2000045 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1002 / qute.202000045

[27] Timothée Leleu, Farad Khoyratee, Timothée Levi, Ryan Hamerly, Takashi Kohno, dan Kazuyuki Aihara. “Menskalakan keuntungan dari kontrol amplitudo yang kacau untuk optimasi kombinatorial kinerja tinggi”. Fisika Komunikasi 4, 1–10 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42005-021-00768-0

[28] Marcello Calvanese Strinati dan Claudio Conti. “Mesin hyperspin multidimensi”. Komunikasi Alam 13, 7248 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-022-34847-9

[29] Takahiro Inagaki, Kensuke Inaba, Timothée Leleu, Toshimori Honjo, Takuya Ikuta, Koji Enbutsu, Takeshi Umeki, Ryoichi Kasahara, Kazuyuki Aihara, dan Hiroki Takesue. “Dinamika kolektif dan sinkron dari neuron spiking fotonik”. Komunikasi alam 12, 1–8 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-22576-4

[30] Bo Lu, Chen-Rui Fan, Lu Liu, Kai Wen, dan Chuan Wang. “Mempercepat mesin ising yang koheren dengan jaringan saraf spiking”. Optik Ekspres 31, 3676–3684 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.479903

[31] Wolfgang Maass. “Jaringan neuron spiking: model jaringan saraf generasi ketiga”. Jaringan saraf 10, 1659–1671 (1997).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0893-6080(97)00011-7

[32] Romain Brette, Michelle Rudolph, Ted Carnevale, Michael Hines, David Beeman, James M Bower, Markus Diesmann, Abigail Morrison, Philip H Goodman, Frederick C Harris, dkk. “Simulasi jaringan neuron spiking: tinjauan alat dan strategi”. Jurnal ilmu saraf komputasi 23, 349–398 (2007).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s10827-007-0038-6

[33] Eugene M Izhikevich. “Model sederhana dari neuron spiking”. Transaksi IEEE pada jaringan saraf 14, 1569–1572 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TNN.2003.820440

[34] Volodymyr Mnih, Koray Kavukcuoglu, David Silver, Andrei A Rusu, Joel Veness, Marc G Bellemare, Alex Graves, Martin Riedmiller, Andreas K Fidjeland, Georg Ostrovski, dkk. “Kontrol tingkat manusia melalui pembelajaran penguatan mendalam”. Alam 518, 529–533 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14236

[35] Qiang Yu, Kay Chen Tan, dan Huajin Tang. “Komputasi pengenalan pola dalam jaringan saraf spiking dengan pengkodean dan pembelajaran temporal”. Dalam Konferensi Gabungan Internasional tentang Jaringan Syaraf Tiruan (IJCNN) tahun 2012. Halaman 1–7. IEEE (2012).
https://​/​doi.org/​10.1109/​IJCNN.2012.6252427

[36] Roger Rodriguez dan Henry C Tuckwell. “Sifat statistik model dinamis nonlinier stokastik dari neuron spiking tunggal dan jaringan saraf”. Tinjauan Fisik E 54, 5585 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreve.54.5585

[37] Omri Harish dan David Hansel. “Kekacauan tingkat asinkron dalam lonjakan sirkuit saraf”. biologi komputasi PLoS 11, e1004266 (2015).
https://​/​doi.org/​10.1371/​journal.pcbi.1004266

[38] Fabian Böhm, Takahiro Inagaki, Kensuke Inaba, Toshimori Honjo, Koji Enbutsu, Takeshi Umeki, Ryoichi Kasahara, dan Hiroki Takesue. “Memahami dinamika mesin icing yang koheren melalui simulasi model icing 2d skala besar”. Komunikasi alam 9, 1–9 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-018-07328-1

[39] Fuda Ma dan Jin-Kao Hao. “Heuristik beberapa operator pencarian untuk masalah max-k-cut”. Sejarah Riset Operasi 248, 365–403 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s10479-016-2234-0

Dikutip oleh

[1] Bo Lu, Chen-Rui Fan, Lu Liu, Kai Wen, dan Chuan Wang, “Mempercepat mesin Ising yang koheren dengan jaringan saraf spiking”, Optik Ekspres 31 3, 3676 (2023).

[2] Bo Lu, Lu Liu, Jun-Yang Song, Kai Wen, dan Chuan Wang, “Kemajuan terkini dalam komputasi koheren berdasarkan pemerasan kuantum”, Buletin Asosiasi Masyarakat Fisik Asia Pasifik 33 1, 7 (2023).

Kutipan di atas berasal dari SAO / NASA ADS (terakhir berhasil diperbarui, 2023-10-24 15:40:17). Daftar ini mungkin tidak lengkap karena tidak semua penerbit menyediakan data kutipan yang cocok dan lengkap.

Tidak dapat mengambil Crossref dikutip oleh data selama upaya terakhir 2023-10-24 15:40:16: Tidak dapat mengambil data yang dikutip oleh untuk 10.22331 / q-2023-10-24-1151 dari Crossref. Ini normal jika DOI terdaftar baru-baru ini.

Makalah ini diterbitkan dalam Quantum di bawah Creative Commons Attribution 4.0 Internasional (CC BY 4.0) lisensi. Hak cipta tetap berada pada pemegang hak cipta asli seperti penulis atau lembaganya.

tempat_img

Intelijen Terbaru

tempat_img

Hak Cipta @ 2024 Plato Technologies Inc.