विरल तंत्रिका नेटवर्क भौतिकविदों को उपयोगी डेटा की ओर इशारा करते हैं क्वांटा पत्रिका

मान लीजिए कि आपके पास एक हजार पन्नों की किताब है, लेकिन प्रत्येक पृष्ठ में पाठ की केवल एक पंक्ति है। आपको एक स्कैनर का उपयोग करके पुस्तक में निहित जानकारी निकालनी होगी, केवल यह विशेष स्कैनर व्यवस्थित रूप से प्रत्येक पृष्ठ से गुजरता है, एक समय में एक वर्ग इंच को स्कैन करता है। आपको उस स्कैनर से पूरी किताब पढ़ने में काफी समय लगेगा, और उस समय का अधिकांश हिस्सा खाली जगह को स्कैन करने में बर्बाद हो जाएगा। 

कई प्रायोगिक भौतिकशास्त्रियों का जीवन ऐसा ही होता है। कण प्रयोगों में, डिटेक्टर बड़ी मात्रा में डेटा कैप्चर और विश्लेषण करते हैं, भले ही इसके केवल एक छोटे से हिस्से में उपयोगी जानकारी होती है। "मान लीजिए, आकाश में उड़ते एक पक्षी की तस्वीर में, प्रत्येक पिक्सेल अर्थपूर्ण हो सकता है," समझाया कज़ुहिरो तेराओएसएलएसी राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला में एक भौतिक विज्ञानी। लेकिन एक भौतिक विज्ञानी जिन छवियों को देखता है, अक्सर उसका केवल एक छोटा सा हिस्सा ही वास्तव में मायने रखता है। ऐसी परिस्थितियों में, हर विवरण पर ध्यान देने में अनावश्यक रूप से समय और कम्प्यूटेशनल संसाधन खर्च होते हैं।

लेकिन यह बदलना शुरू हो गया है। स्पार्स कन्वोल्यूशनल न्यूरल नेटवर्क (एससीएनएन) नामक मशीन लर्निंग टूल के साथ, शोधकर्ता अपने डेटा के प्रासंगिक हिस्सों पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैं और बाकी को स्क्रीन कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने वास्तविक समय डेटा विश्लेषण करने की अपनी क्षमता में काफी तेजी लाने के लिए इन नेटवर्कों का उपयोग किया है। और वे कम से कम तीन महाद्वीपों पर आगामी या मौजूदा प्रयोगों में एससीएनएन को नियोजित करने की योजना बना रहे हैं। यह स्विच भौतिकी समुदाय के लिए एक ऐतिहासिक परिवर्तन का प्रतीक है। 

"भौतिकी में, हम अपने स्वयं के एल्गोरिदम और कम्प्यूटेशनल दृष्टिकोण विकसित करने के आदी हैं," कहा कार्लोस अर्गुएल्स-डेलगाडो, हार्वर्ड विश्वविद्यालय में एक भौतिक विज्ञानी। "हम हमेशा विकास में सबसे आगे रहे हैं, लेकिन अब, चीजों के कम्प्यूटेशनल अंत में, कंप्यूटर विज्ञान अक्सर आगे बढ़ रहा है।" 

विरल पात्र

SCNNs की ओर ले जाने वाला कार्य 2012 में शुरू हुआ, जब बेंजामिन ग्राहमतब वे वारविक विश्वविद्यालय में एक तंत्रिका नेटवर्क बनाना चाहते थे जो चीनी लिखावट को पहचान सके। 

इस तरह के छवि-संबंधित कार्यों के लिए उस समय के प्रमुख उपकरण कन्वेन्शनल न्यूरल नेटवर्क (सीएनएन) थे। चीनी लिखावट कार्य के लिए, एक लेखक एक डिजिटल टैबलेट पर एक चरित्र का पता लगाएगा, मान लीजिए, 10,000 पिक्सेल की एक छवि तैयार करेगा। इसके बाद सीएनएन पूरी छवि पर कर्नेल नामक 3-बाय-3 ग्रिड को स्थानांतरित करेगा, जो प्रत्येक पिक्सेल पर कर्नेल को व्यक्तिगत रूप से केंद्रित करेगा। कर्नेल के प्रत्येक प्लेसमेंट के लिए, नेटवर्क एक जटिल गणितीय गणना करेगा जिसे कन्वोल्यूशन कहा जाता है जो विशिष्ट विशेषताओं की तलाश करता है।

सीएनएन को तस्वीरों जैसी सूचना-सघन छवियों के साथ उपयोग करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। लेकिन चीनी अक्षर वाली छवि अधिकतर खाली होती है; शोधकर्ता इस गुण वाले डेटा को विरल कहते हैं। यह प्राकृतिक दुनिया की किसी भी चीज़ की एक सामान्य विशेषता है। "दुनिया कितनी विरल हो सकती है इसका एक उदाहरण देने के लिए," ग्राहम ने कहा, अगर एफिल टॉवर को सबसे छोटे संभव आयत में बंद किया जाता, तो उस आयत में "99.98% हवा और सिर्फ 0.02% लोहा होता।"

ग्राहम ने सीएनएन दृष्टिकोण में बदलाव करने की कोशिश की ताकि कर्नेल को छवि के केवल 3-बाय-3 अनुभागों पर रखा जा सके जिसमें कम से कम एक पिक्सेल हो जिसमें गैर-शून्य मान हो (और केवल खाली न हो)। इस तरह, वह एक ऐसी प्रणाली का निर्माण करने में सफल रहे जो हस्तलिखित चीनी भाषा की कुशलता से पहचान कर सके। इसने केवल 2013% की त्रुटि दर के साथ व्यक्तिगत पात्रों की पहचान करके 2.61 की प्रतियोगिता जीती। (मनुष्यों ने औसतन 4.81% स्कोर किया।) इसके बाद उन्होंने अपना ध्यान और भी बड़ी समस्या की ओर लगाया: त्रि-आयामी-वस्तु पहचान।

2017 तक, ग्राहम फेसबुक एआई रिसर्च में चले गए थे और उन्होंने अपनी तकनीक को और परिष्कृत किया था प्रकाशित la विवरण पहले SCNN के लिए, जो कर्नेल को केवल उन पिक्सेल पर केंद्रित करता था जिनका मान शून्य नहीं था (बजाय कर्नेल को किसी 3-बाय-3 अनुभाग पर रखने पर जिसमें कम से कम एक "गैर-शून्य" पिक्सेल था)। यह सामान्य विचार था जिसे टेराओ कण भौतिकी की दुनिया में लेकर आए।

भूमिगत शॉट्स

टेराओ फर्मी नेशनल एक्सेलेरेटर प्रयोगशाला में प्रयोगों में शामिल है जो सबसे मायावी ज्ञात प्राथमिक कणों में से न्यूट्रिनो की प्रकृति की जांच करता है। वे ब्रह्मांड में द्रव्यमान के साथ सबसे प्रचुर मात्रा में कण हैं (यद्यपि बहुत अधिक नहीं), लेकिन वे डिटेक्टर के अंदर शायद ही कभी दिखाई देते हैं। परिणामस्वरूप, न्यूट्रिनो प्रयोगों के लिए अधिकांश डेटा विरल है, और टेराओ लगातार डेटा विश्लेषण के लिए बेहतर दृष्टिकोण की तलाश में था। उन्हें एससीएनएन में एक मिला।

2019 में, उन्होंने डीप अंडरग्राउंड न्यूट्रिनो एक्सपेरिमेंट या DUNE से अपेक्षित डेटा के सिमुलेशन के लिए SCNN लागू किया, जो 2026 में ऑनलाइन आने पर दुनिया का सबसे बड़ा न्यूट्रिनो भौतिकी प्रयोग होगा। यह प्रोजेक्ट शिकागो के ठीक बाहर, फ़र्मिलाब से न्यूट्रिनो को शूट करेगा। पृथ्वी के 800 मील के माध्यम से दक्षिण डकोटा में एक भूमिगत प्रयोगशाला तक। रास्ते में, कण तीन ज्ञात प्रकार के न्यूट्रिनो के बीच "दोलन" करेंगे, और ये दोलन विस्तृत न्यूट्रिनो गुणों को प्रकट कर सकते हैं।

एससीएनएन ने सामान्य तरीकों की तुलना में सिम्युलेटेड डेटा का तेजी से विश्लेषण किया, और ऐसा करने में काफी कम कम्प्यूटेशनल शक्ति की आवश्यकता होती है। आशाजनक परिणामों का मतलब है कि एससीएनएन का उपयोग संभवतः वास्तविक प्रायोगिक संचालन के दौरान किया जाएगा।

इस बीच, 2021 में, टेराओ ने फ़र्मिलाब में माइक्रोबूएन के नाम से जाने जाने वाले एक अन्य न्यूट्रिनो प्रयोग में एससीएनएन को जोड़ने में मदद की। यहां, वैज्ञानिक न्यूट्रिनो और आर्गन परमाणुओं के नाभिक के बीच टकराव के परिणामों को देखते हैं। इन इंटरैक्शन द्वारा बनाए गए ट्रैक की जांच करके, शोधकर्ता मूल न्यूट्रिनो के बारे में विवरण का अनुमान लगा सकते हैं। ऐसा करने के लिए, उन्हें एक एल्गोरिदम की आवश्यकता होती है जो डिटेक्टर के त्रि-आयामी प्रतिनिधित्व में पिक्सेल (या, तकनीकी रूप से, उनके त्रि-आयामी समकक्ष जिन्हें वोक्सल्स कहा जाता है) को देख सकता है और फिर यह निर्धारित कर सकता है कि कौन से पिक्सेल किस कण प्रक्षेपवक्र से जुड़े हैं।

चूँकि डेटा बहुत विरल है - एक बड़े डिटेक्टर (लगभग 170 टन तरल आर्गन) के भीतर छोटी-छोटी रेखाएँ - SCNN इस कार्य के लिए लगभग एकदम सही हैं। टेराओ ने कहा, एक मानक सीएनएन के साथ, छवि को 50 टुकड़ों में तोड़ना होगा, क्योंकि सभी गणनाएं की जानी हैं। "एक विरल सीएनएन के साथ, हम एक ही बार में पूरी छवि का विश्लेषण करते हैं - और इसे बहुत तेजी से करते हैं।"

समय पर ट्रिगर

MicroBooNE पर काम करने वाले शोधकर्ताओं में से एक फेलिक्स यू नाम का एक स्नातक प्रशिक्षु था। एससीएनएन की शक्ति और दक्षता से प्रभावित होकर, वह दक्षिणी ध्रुव पर आइसक्यूब न्यूट्रिनो वेधशाला से औपचारिक रूप से संबद्ध हार्वर्ड अनुसंधान प्रयोगशाला में स्नातक छात्र के रूप में अपने अगले कार्यस्थल पर उपकरण अपने साथ लाए।

वेधशाला का एक प्रमुख लक्ष्य ब्रह्मांड के सबसे ऊर्जावान न्यूट्रिनो को रोकना और उन्हें उनके स्रोतों तक वापस ढूंढना है, जिनमें से अधिकांश हमारी आकाशगंगा के बाहर स्थित हैं। डिटेक्टर में अंटार्कटिक बर्फ में दबे 5,160 ऑप्टिकल सेंसर शामिल हैं, जिनमें से केवल एक छोटा सा अंश ही किसी भी समय प्रकाश देता है। शेष सारणी अंधकारमय बनी हुई है और विशेष रूप से जानकारीपूर्ण नहीं है। इससे भी बदतर, डिटेक्टरों द्वारा रिकॉर्ड की गई कई "घटनाएँ" झूठी सकारात्मक हैं और न्यूट्रिनो शिकार के लिए उपयोगी नहीं हैं। केवल तथाकथित ट्रिगर-स्तरीय घटनाएं ही आगे के विश्लेषण के लिए जगह बनाती हैं, और तत्काल निर्णय लेने की आवश्यकता होती है कि कौन से लोग उस पदनाम के योग्य हैं और जिन्हें स्थायी रूप से अनदेखा कर दिया जाएगा।

मानक सीएनएन इस कार्य के लिए बहुत धीमे हैं, इसलिए आइसक्यूब वैज्ञानिक लंबे समय से संभावित उपयोगी पहचानों के बारे में बताने के लिए लाइनफिट नामक एल्गोरिदम पर भरोसा करते रहे हैं। लेकिन वह एल्गोरिदम अविश्वसनीय है, यू ने कहा, "जिसका मतलब है कि हम दिलचस्प घटनाओं से चूक सकते हैं।" फिर, यह एक विरल डेटा वातावरण है जो एससीएनएन के लिए आदर्श रूप से उपयुक्त है।

यू - अर्गुएल्स-डेलगाडो, उनके डॉक्टरेट सलाहकार और विस्कॉन्सिन विश्वविद्यालय, मैडिसन के स्नातक छात्र जेफ लज़ार के साथ - ने उस लाभ की मात्रा निर्धारित की, जिसमें दिखाया गया है हाल ही में एक कागज ये नेटवर्क सामान्य सीएनएन की तुलना में लगभग 20 गुना तेज़ होंगे। लेज़र ने कहा, "यह डिटेक्टर से निकलने वाली प्रत्येक घटना पर चलने के लिए पर्याप्त तेज़ है," प्रत्येक सेकंड में लगभग 3,000। "यह हमें बेहतर निर्णय लेने में सक्षम बनाता है कि क्या फेंकना है और क्या रखना है।"

लेखकों ने आधिकारिक आइसक्यूब डेटा का उपयोग करके एक सिमुलेशन में एससीएनएन को सफलतापूर्वक नियोजित किया है, और अगला कदम दक्षिण ध्रुव कंप्यूटिंग सिस्टम की प्रतिकृति पर अपने सिस्टम का परीक्षण करना है। यदि सब कुछ ठीक रहा, तो आर्गुएल्स-डेलगाडो का मानना ​​है कि उन्हें अगले साल अंटार्कटिक वेधशाला में अपना सिस्टम स्थापित करना चाहिए। लेकिन प्रौद्योगिकी का और भी व्यापक उपयोग देखने को मिल सकता है। "हमें लगता है कि [एससीएनएन को फायदा हो सकता है] केवल आइसक्यूब ही नहीं, बल्कि सभी न्यूट्रिनो टेलीस्कोप," अर्गुएल्स-डेलगाडो ने कहा।

न्यूट्रिनो से परे

मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के भौतिक विज्ञानी फिलिप हैरिस उम्मीद कर रहे हैं कि एससीएनएन उन सभी के सबसे बड़े कण कोलाइडर में मदद कर सकते हैं: सीईआरएन में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (एलएचसी)। हैरिस ने इस तरह के तंत्रिका नेटवर्क के बारे में एमआईटी के एक सहकर्मी, कंप्यूटर वैज्ञानिक सोंग हान से सुना। "सॉन्ग एल्गोरिदम को तेज़ और कुशल बनाने में विशेषज्ञ है," हैरिस ने कहा - एलएचसी के लिए बिल्कुल सही, जहां हर सेकंड 40 मिलियन टकराव होते हैं।

जब उन्होंने कुछ साल पहले बात की, तो सॉन्ग ने हैरिस को एक स्वायत्त-वाहन परियोजना के बारे में बताया जो वह अपनी प्रयोगशाला के सदस्यों के साथ कर रहा था। सॉन्ग की टीम वाहन के सामने की जगह के 3डी लेजर मानचित्रों का विश्लेषण करने के लिए एससीएनएन का उपयोग कर रही थी, जिसका अधिकांश भाग खाली है, यह देखने के लिए कि आगे कोई रुकावट तो नहीं है।

हैरिस और उनके सहयोगियों को एलएचसी में समान चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। जब दो प्रोटॉन मशीन के अंदर टकराते हैं, तो दुर्घटना से कणों से बना एक विस्तारित क्षेत्र बनता है। जब इनमें से एक कण संग्राहक से टकराता है, तो एक द्वितीयक कण बौछार होती है। "यदि आप इस बौछार की पूरी सीमा का नक्शा तैयार कर सकते हैं," हैरिस ने कहा, "आप उस कण की ऊर्जा निर्धारित कर सकते हैं जिसने इसे जन्म दिया," जो विशेष रुचि की वस्तु हो सकती है - हिग्स बोसोन जैसा कुछ, जो भौतिक विज्ञानी 2012 में खोजा गया, या एक डार्क मैटर कण, जिसे भौतिक विज्ञानी अभी भी खोज रहे हैं।

हैरिस ने कहा, "जिस समस्या को हम हल करने की कोशिश कर रहे हैं वह बिंदुओं को जोड़ने से संबंधित है, ठीक उसी तरह जैसे एक सेल्फ-ड्राइविंग कार किसी रुकावट का पता लगाने के लिए लेजर मैप के बिंदुओं को जोड़ सकती है।"

हैरिस ने कहा कि एससीएनएन एलएचसी पर डेटा विश्लेषण को कम से कम 50 गुना तेज कर देगा। "हमारा अंतिम लक्ष्य [एससीएनएन] को डिटेक्टर में लाना है" - एक ऐसा कार्य जिसमें कम से कम एक वर्ष की कागजी कार्रवाई और समुदाय से अतिरिक्त खरीदारी की आवश्यकता होगी। लेकिन वह और उनके सहयोगी आशान्वित हैं।

कुल मिलाकर, इसकी संभावना बढ़ रही है कि एससीएनएन - एक विचार जो मूल रूप से कंप्यूटर विज्ञान की दुनिया में कल्पना की गई थी - जल्द ही न्यूट्रिनो भौतिकी (डीयूएनई), न्यूट्रिनो खगोल विज्ञान (आइसक्यूब) और उच्च-ऊर्जा भौतिकी (एलएचसी) में किए गए अब तक के सबसे बड़े प्रयोगों में भूमिका निभाएगी। .

ग्राहम ने कहा कि उन्हें यह जानकर सुखद आश्चर्य हुआ कि एससीएनएन ने कण भौतिकी में अपना रास्ता बना लिया है, हालांकि वह पूरी तरह से हैरान नहीं थे। "अमूर्त अर्थ में," उन्होंने कहा, "अंतरिक्ष में घूम रहा एक कण कागज के टुकड़े पर घूम रही कलम की नोक जैसा है।"