We introduce thermodynamic networks, a general framework for autonomous, physics-based computation using non-equilibrium steady states. These networks are modeled as a collection of finite-size reservoirs that exchange conserved quantities--such as electric charge or molecular number--while relaxing to a non-equilibrium steady state, which encodes the solution of a computational problem. We identify Negative Differential Conductance (NDC) as the critical physical property governing the computational expressivity of the thermodynamic network. While networks lacking NDC are restricted to computing monotonic functions, the presence of NDC enables universal function approximation. For the training of the network, we use protocols that take advantage of the natural tendency of the system to equilibrate. We illustrate the versatility of our approach via two different platforms: quantum dot networks and enzymatic reaction networks. Both systems can be engineered to have NDC, enabling high performance in standard benchmarks, including sine function approximation and MNIST digit classification. Overall, our work establishes a rigorous link between non-equilibrium steady states and computational expressivity.


翻译:我们提出热力学网络(thermodynamic networks),这是一个基于非平衡稳态实现自主物理计算的一般框架。这些网络被建模为有限尺寸储层的集合,它们在弛豫到编码计算问题解的非平衡稳态的过程中,交换守恒量(如电荷或分子数)。我们识别出负微分电导(NDC)是控制热力学网络计算表达能力的关键物理特性。缺乏NDC的网络仅限于计算单调函数,而NDC的存在则能够实现通用函数逼近。对于网络训练,我们利用系统自然趋向平衡的特性设计训练协议。通过两种不同平台——量子点网络和酶促反应网络——展示了我们方法的通用性。这两个系统均可设计出NDC特性,从而在标准基准测试中实现高性能,包括正弦函数逼近和MNIST数字分类。总体而言,我们的工作在非平衡稳态与计算表达能力之间建立了严格的理论联系。

0
下载
关闭预览

相关内容

Nature综述:金融网络中的物理学
专知会员服务
21+阅读 · 2025年8月2日
算力调度:算力时代的国家电网
专知会员服务
44+阅读 · 2023年11月7日
网络表示学习概述
机器学习与推荐算法
20+阅读 · 2020年3月27日
神经网络常微分方程 (Neural ODEs) 解析
AI科技评论
42+阅读 · 2019年8月9日
网络表示学习介绍
人工智能前沿讲习班
18+阅读 · 2018年11月26日
SFFAI报告 | 常建龙 :深度卷积网络中的卷积算子研究进展
人工智能前沿讲习班
11+阅读 · 2018年10月22日
【深度学习基础】4. Recurrent Neural Networks
微信AI
16+阅读 · 2017年7月19日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
《通过小型无人机系统将情报能力“作战化”》
消耗优势:美军的“精确规模化”概念
专知会员服务
8+阅读 · 6月15日
《离线语言支持系统:面向空战战术决策》
专知会员服务
9+阅读 · 6月15日
相关VIP内容
Nature综述:金融网络中的物理学
专知会员服务
21+阅读 · 2025年8月2日
算力调度:算力时代的国家电网
专知会员服务
44+阅读 · 2023年11月7日
相关资讯
网络表示学习概述
机器学习与推荐算法
20+阅读 · 2020年3月27日
神经网络常微分方程 (Neural ODEs) 解析
AI科技评论
42+阅读 · 2019年8月9日
网络表示学习介绍
人工智能前沿讲习班
18+阅读 · 2018年11月26日
SFFAI报告 | 常建龙 :深度卷积网络中的卷积算子研究进展
人工智能前沿讲习班
11+阅读 · 2018年10月22日
【深度学习基础】4. Recurrent Neural Networks
微信AI
16+阅读 · 2017年7月19日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员