Solitony, podobné těm, co využívá Maksymovův počítač. Kredit: Ivan Maksymov.

Asi se shodneme, že fyzika umí být divná. Ale některé věci se fakt vymykají běžné zkušenosti. Představte si počítač, který by, podobně jako člověk, dokázal odhadnout, co se stane v příštím okamžiku. My lidé v tom nejsme bůhvíjak dobří a naše technika je na tom obvykle ještě hůř. Jen málokdo by si divil, že by takový úkol zvládla nějaká skvěle vycvičená umělá inteligence. Ale řekli byste to do jednoduchého fyzikálního systému, který připomíná nádržku na vodu?

Ivan Maksymov. Kredit: Charles Sturt University.

Jak to barvitě líčí Ivan Maksymov z australské Charles Sturt University ve svém článku na platformě The Conversation, s kolegy postavili vážně neuvěřitelný prototyp počítače, který namísto tradičních logických obvodů předpovídá budoucí jevy pomocí takzvaných rezervoárových výpočtů (reservoir computing). Je to poněkud matoucí, protože tento termín se a priori nevztahuje k vodní nádrži, nýbrž k výpočtům odvozeným z teorie rekurentních neurálních sítí, která zahrnuje dynamiku fixovaného nelineárního systému, čili rezervoáru.

Jak uvádí Maksymov, jejich „počítač“ si v testech vedl velmi dobře, slušně si pamatoval vstupní data a předpovídal budoucí jevy, přičemž v některých případech to zvládal lépe než výkonné digitální počítače.

Jak to podle Maksymova funguje? Představte dvě děcka, Alici a Boba, jak si hrají na břehu nějakého rybníka. Bob hází po jednom kameny do vody, někdy velký a někdy malý, na první pohled náhodně. Velké a malé kameny vytvářejí různé vlny. Alice tyto vlny sleduje a učí se předvídat, co se stane příště. Například to, jaký kámen hodí Bob.

Alice s Bobem u vody. Kredit: Ivan Maksymov.

Rezervoárové výpočty dělají zhruba to, jak uvažuje Alice. Učí se z minulých vstupů a snaží se předvídat budoucí události. Rezervoárové počítače byly původně navrženy pro neurální sítě, čili programy, jejichž architektura je do jisté míry inspirovaná uspořádáním mozku. Jak se ale ukázalo, fungují i s využitím jednoduchých fyzikálních systémů.

Rezervoárové počítače jsou analogové povahy. Zpracovávají spojitá, kontinuální data, na rozdíl od digitálních nul a jedniček. Díky tomu mohou rezervoárové počítače modelovat určité typy přirozeně se vyskytujících událostí v nepředpověditelných sekvencích, které zahrnují chaotické časové řady, lépe než digitální počítače.

Jak s rezervoárovým počítačem předpovídat budoucí události? Představte si, že máte záznam srážek za minulý rok po jednotlivých dnech. A kýbl s vodou, čili rezervoárový počítač. Nejprve je nutné do počítače vložit data, pomocí házením kamenů různé velikosti. Za velmi deštivý den velký kámen, za slabě deštivý den malý kámen a za slunečný den nic. Každý kámen vytvoří vlny, které interagují s vlnami po dalších kamenech.

Výslednou předpověď představuje stav vody v kýblu na konci celého procesu. Velké vlny předpoví deštivý den, malé vlny mrholení a klidná hladina napovídá, že nebude pršet. Maksymov s kolegy ve skutečnosti použili poněkud jiný typ vln, solitony, protože déle drží svůj tvar. I takové vlny jsou běžně k vidění, například v umyvadle.

Tohle celé je teprve začátek. Badatelé chtějí svůj rezervoárový počítač s vodou miniaturizovat do podoby mikrokapalinového procesoru, velkého třeba jako křemíkový procesor. Jen by v něm bylo o hodně víc kapaliny. Počítače s takovými procesory by mohly věrohodně předpovídat vývoj klimatu, lesní požáry nebo třeba vývoj finančních trhů, a to za mnohem méně peněz a s mnohem větší dostupností než dnešní superpočítače.

Video: Soliton waves of a reservoir computer (experiment)

Video: Shallow water wave generation (quasi solitary wave with breaking)

Literatura

The Conversation 26. 5. 2023.

Europhysics Letters online 11. 5. 2023.