Konstanz 대학교와 Stuttgart 대학교의 물리학자들이 Communications AI & Computing에 발표된 연구를 통해, 액체 방울 속에서 궤도를 도는 400개의 미세 입자를 이용해 혼돈 신호 예측(chaotic-signal forecasting) 및 이상 탐지(anomaly detection)를 수행했습니다. 이 어레이(array)는 혼돈 상태인 Mackey-Glass 급수를 예측하고, 신호의 평균, 분산, 단기 자기상관(short-time autocorrelation)을 건드리지 않는 이상치를 찾아냈으며, 이 더 어려운 작업에서 0.90의 F1 점수를 기록했습니다. 또한, 이 시스템은 멤리스터(memristor) 기반 리저버(reservoirs)보다 정확도가 약 10배 낮았으며, 논문에서도 이 격차를 솔직하게 인정하고 있습니다.

각 발진기(oscillator)는 반지름 3μm의 실리카 구체로, 한쪽 면은 80nm의 탄소로 덮여 있으며 28°C로 유지되는 물-루티딘(water-lutidine) 혼합물에 부유되어 있습니다. 532nm 레이저가 캡을 가열하여 입자를 지정된 목표 지점으로 유도하지만, 입자를 촬영하는 것과 빔을 재배치하는 것 사이의 지연으로 인해 입자가 목표를 지나쳐 작은 궤도에 안착하게 됩니다. 액체 내의 유동장(flow fields)은 인접한 궤도들을 결합(couple)시키며, 데이터는 목표 지점의 변위(displacements)로서 시스템에 입력됩니다.

유체역학적 힘은 거리에 따라 감소하므로 격자 간격(Lattice spacing)이 결합 강도(coupling strength)를 결정하며, 감쇠 임계값(damping threshold)은 각 입자가 흔들리는 범위를 설정합니다. 이 두 가지 요소는 실험이 진행되는 동안 조정이 가능하며, 예측 오차는 해당 파라미터 공간 전체에서 3배 이상의 차이를 보입니다. 또한 입력이 발진기의 20%에 불과할 때나, 개별 입자가 레이저에 반응하지 않거나 서로 뭉칠 때도 정확도가 유지되었습니다.

콜로이드 어레이(colloidal array)는 1단계 Mackey-Glass 예측에서 약 0.1의 정규화된 평균 제곱근 오차(normalized root-mean-squared error)를 달성했습니다. 논문에 따르면 멤리스터(Memristor) 소자들은 동일한 벤치마크에서 현재 0.01 또는 그 이상의 성능에 도달해 있으며, 이러한 결과는 시분할 다중화(time-multiplexing)에 의존하며 거의 10년에 걸친 집중적인 연구의 결과라고 덧붙였습니다.

저자들은 자신들의 리저버(reservoir)가 기존의 물리적 구현체들을 능가하지는 못한다고 기술했습니다. 그러나 지난 1월의 한 arXiv 프리프린트(preprint)에서는 관점을 다르게 설정하여, 시분할 다중화(time-multiplexing)를 피한다는 점이 광학적(photonic), 멤리스터 기반(memristive), 스핀트로닉스(spintronic) 기반을 포함한 거의 모든 기존 물리적 리저버와 이 플랫폼을 차별화한다고 주장했습니다.

리저버를 구동하기 위해서는 532nm 레이저, 100kHz로 스캔하는 2축 음향 광학 편향기(acousto-optical deflector), 입자 추적이 가능한 실시간 현미경 관찰(microscopy), 온도 조절이 가능한 석영 셀, 그리고 출력을 생성하는 1,000개의 가우시안 커널(Gaussian kernels)과 리지 회귀(ridge regression)를 위한 일반 컴퓨터가 필요합니다. 에너지 효율이 명시된 동기였음에도 불구하고 논문 어디에도 에너지 통계는 나타나지 않으며, 저자들은 레이저 구동 방식이 실용적으로 적용되지 않을 수 있음을 인정하고 대신 전극 구동 콜로이드(electrode-driven colloids)와 같은 더 단순한 구동 체계를 제시했습니다.

콘스탄츠 대학교(University of Konstanz)의 연성 응축 물질(soft condensed matter) 교수인 Clemens Bechinger는 대학 발표를 통해, 역학(dynamics)을 완전히 이해할 필요는 없으며 신뢰할 수 있게 반응하기만 하면 되며, 그 시점에서 "그 물리적 특성을 계산을 위해 직접 활용할 수 있다"라고 말했습니다.

별도의 팀은 이번 달에 수십 기가헤르츠(GHz)로 작동할 것으로 예상되는 플랫폼에서 45나노초(ns) 만에 105,000개의 나노 발진기(nano-oscillators)를 동기화했습니다.