Các nhà vật lý tại Đại học Konstanz và Stuttgart vừa tiến hành chạy thử nghiệm tính năng dự báo tín hiệu hỗn loạn và phát hiện điểm bất thường (anomaly detection) dựa trên 400 hạt vi mô quay quanh một giọt chất lỏng. Công trình này vừa được công bố trên tạp chí Communications AI & Computing.

Hệ thống mạng lưới này đã dự đoán thành công chuỗi hỗn loạn Mackey-Glass và phát hiện ra các điểm bất thường mà không làm thay đổi giá trị trung bình, phương sai và tự tương quan trong thời gian ngắn của tín hiệu, đạt điểm F1 ấn tượng 0,90 trong thử nghiệm hóc búa này. Dù vậy, bài báo cũng thẳng thắn thừa nhận độ chính xác của hệ thống này vẫn kém hơn khoảng 10 lần so với các hệ thống máy tính hồ chứa (reservoir computing) dựa trên công nghệ memristor.

Cơ chế hoạt động qua mạng lưới vi dao động

Mỗi bộ dao động trong hệ thống là một quả cầu silica có bán kính 3μm, được phủ một lớp carbon 80nm ở một mặt và lơ lửng trong hỗn hợp nước – lutidine được giữ ổn định ở mức 28°C. Một tia laser 532nm sẽ làm nóng lớp phủ carbon và đẩy hạt về phía điểm mục tiêu được chỉ định. Tuy nhiên, do có độ trễ giữa quá trình ghi hình hạt và định vị lại chùm tia, hạt sẽ bị đẩy đi quá đà và chuyển sang trạng thái quay theo một quỹ đạo nhỏ. Các trường dòng chảy bên trong chất lỏng sẽ liên kết các quỹ đạo lân cận lại với nhau, và dữ liệu sẽ được nạp vào hệ thống dưới dạng sự dịch chuyển của các điểm mục tiêu.

Khoảng cách mạng (Lattice spacing) sẽ quyết định cường độ liên kết do các lực thủy động lực học giảm dần theo khoảng cách, trong khi ngưỡng giảm chấn (damping threshold) sẽ xác định biên độ dao động của mỗi hạt. Cả hai thông số này đều có thể được điều chỉnh trực tiếp trong lúc thử nghiệm đang chạy, với sai số dự báo có thể biến thiên lên tới hơn 3 lần trong phạm vi các thông số này. Đáng chú ý, độ chính xác của hệ thống vẫn được duy trì ngay cả khi tín hiệu đầu vào chỉ tiếp cận được 20% số lượng bộ dao động, hoặc khi một số hạt riêng lẻ ngừng phản ứng với tia laser hay bị vón cục lại với nhau.

Đặt lên bàn cân với công nghệ hiện tại

Trong bài kiểm tra dự đoán Mackey-Glass một bước, mảng tinh thể keo (colloidal array) này đạt sai số bình phương trung bình gốc chuẩn hóa ở mức 0,1. Để so sánh, các thiết bị memristor hiện tại đã đạt mức 0,01 hoặc thậm chí tốt hơn trên cùng một thước đo. Dẫu vậy, bài báo cũng lưu ý rằng những kết quả của memristor phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật ghép kênh phân chia thời gian (time-multiplexing) và là thành quả sau gần một thập kỷ nghiên cứu chuyên sâu.

Dù các tác giả thừa nhận hệ thống “hồ chứa” của họ không vượt trội hơn các mô hình vật lý hiện tại, một bản thảo trên arXiv hồi tháng 1 lại đưa ra quan điểm khác. Theo đó, việc loại bỏ được yêu cầu ghép kênh phân chia thời gian đã giúp nền tảng này trở nên khác biệt hoàn toàn so với hầu hết các hệ thống máy tính hồ chứa vật lý hiện có, bao gồm cả quang tử, memristive và spintronic.

Tiềm năng và những thách thức thực tiễn

Để vận hành hệ thống này, các nhà khoa học cần tới một tia laser 532nm, bộ làm lệch quang âm hai trục với tốc độ quét 100 kHz, hệ thống kính hiển vi thời gian thực để theo dõi hạt, một buồng thạch anh có khả năng kiểm soát nhiệt độ, và một máy tính thông thường để xử lý 1.000 hàm nhân Gaussian cùng thuật toán hồi quy ridge nhằm trích xuất kết quả đầu ra.

Mặc dù “tiết kiệm năng lượng” được xem là động lực chính của nghiên cứu, bài báo lại không đề cập đến bất kỳ số liệu thống kê nào liên quan đến mức tiêu thụ điện. Bản thân các tác giả cũng thừa nhận thiết lập chạy bằng tia laser này có thể không mang tính ứng dụng thực tiễn cao, và họ đang hướng tới các cơ chế truyền động đơn giản hơn, ví dụ như điều khiển hạt keo bằng điện cực.

Clemens Bechinger, giáo sư về vật chất ngưng tụ mềm tại Đại học Konstanz, cho biết: Chúng ta không nhất thiết phải hiểu tường tận toàn bộ hệ thống động lực học này, mà chỉ cần chúng phản hồi một cách đáng tin cậy. Khi đạt được điều đó, “tính chất vật lý của chúng có thể được khai thác trực tiếp để thực hiện tính toán.”

(Cũng trong tháng này, một nhóm nghiên cứu độc lập khác đã đồng bộ hóa thành công 105.000 máy dao động nano chỉ trong vòng 45 nano giây trên một nền tảng được kỳ vọng sẽ hoạt động ở dải tần hàng chục gigahertz).