美國能源部SLAC國家加速器實驗室和斯坦福大學(xué)(Stanford University)的最新研究首次表明，人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠可以準確地分析引力透鏡(gravitational lenses)的復(fù)雜畸變，且速度比傳統(tǒng)方法快1,000萬倍?？茖W(xué)家表示，過去需要數(shù)周到數(shù)個月才能完成，且需要專家和高端計算設(shè)備的分析工作，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將能在幾分之一秒內(nèi)以完全自動的方式完成。
“原則上，這些復(fù)雜的計算工作還能在手機芯片中完成?！眳⑴c該研究的博士后研究員Laurence Perreault Levasseur說。這項研究稍早前已發(fā)表在《自然》期刊中。
該研究由斯坦福大學(xué)的Kavli粒子天體物理與宇宙學(xué)研究所(KIPAC)和SLAC國家加速器實驗室共同進行，他們使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析強引力透鏡的圖像──引力透鏡是愛因斯坦廣義相對論所描述的一種現(xiàn)象。當光經(jīng)過遙遠星系、星系團及黑洞等具有巨大引力的天體附近時，會像通過凸透鏡一樣發(fā)生彎曲，稱為引力透鏡效應(yīng)。根據(jù)光線變化在光譜外波段呈現(xiàn)的不規(guī)則程度，可以推算發(fā)光星系的年齡和距離。
圖：KIPAC科學(xué)家使用人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來分析時空中的復(fù)雜失真，稱之為引力透鏡。該方法比傳統(tǒng)分析快1,000萬倍。(Greg Stewart / SLAC國家加速器實驗室)
這種分析迄今都是非常冗長的過程，需要大量的計算器模擬以進行比較，單一透鏡的計算可能就需要幾周甚至幾個月之久。但是，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研究人員能夠在幾秒鐘內(nèi)完成相同的分析，他們利用NASA的哈勃望遠鏡和仿真實驗室的真實圖像進行了演示。
為了訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)尋找的能力，研究人員展示了約一百萬個引力透鏡的仿真圖像信息。經(jīng)過訓(xùn)練后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠以幾乎瞬時的精確度做分析。
研究人員稱測試中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將“為未來的數(shù)據(jù)洪流做好準備”。
KIPAC的NASA哈勃望遠鏡博士后研究員，同時也是該研究論文作者之一的Yashar Hezaveh表示，目前他們正在測試三個公開的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和一個他們自行開發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，旨在確定每個透鏡信息屬性，包括其質(zhì)量分布，以及背景星系影像放大了多少倍。
能夠快速，全面自動化地篩選大量數(shù)據(jù)和進行復(fù)雜分析的能力，對未來的天文學(xué)研究相當重要。Perreault Levasseur表示，目前沒有足夠的人力能及時分析所有這些數(shù)據(jù)。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將幫助研究人員識別對象并快速地進行分析。
圖：具有數(shù)百層計算單元的人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，每個圖層搜索輸入圖像中的某些特征(左邊)，最后一層提供了分析結(jié)果。研究人員使用了特定類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，稱為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中每層的獨立計算單元(神經(jīng)元，灰色球體)也被組織成將原始圖像信息捆綁成更大計算單位的二維平面。(來源：Greg Stewart / SLAC國家加速器實驗室)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬人類人類大腦的密集網(wǎng)絡(luò)以迅速處理和分析信息。在人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，“神經(jīng)元”是與正在分析的圖像的像素相關(guān)聯(lián)的單個計算單元。神經(jīng)元可深達數(shù)百層，每個圖層均搜索圖像中的特征。一旦第一層已經(jīng)找到某個特征，便將信息傳輸?shù)较乱粚?，然后搜索該特征中的另一個特征，依此類推。
“令人驚訝的是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自行學(xué)習(xí)了需要尋找的功能，”KIPAC的科學(xué)家Phil Marshall說，他同時是此次論文的共同作者。“這與小孩子學(xué)會識別對象的方式是一樣的，你不必告訴他們什么是狗，只需要向他們展示狗的照片。即可”
在這種情況下，Hezaveh則形容道：“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅能從一堆照片中挑選出狗的照片，還返饋了有關(guān)狗的體重、身高和年齡等信息?！?/p>
研究人員透露，盡管KIPAC的科學(xué)家是在斯坦福研究計算中心的Sherlock高性能計算集群上進行測試，但他們也能在筆記本計算機，甚至手機上完成計算。事實上，他們測試的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之一就是設(shè)計用于在iPhone上運作的。
一位任職于KIPAC的教師Roger Blandford指出，過去神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)曾被應(yīng)用在天體物理學(xué)之中，但結(jié)果并不理想。不過，和最新的圖形處理單元或GPU結(jié)合的新算法可以產(chǎn)生更快速和可靠的結(jié)果。未來這將成為天體物理學(xué)等領(lǐng)域處理更多數(shù)據(jù)分析的理想方法。
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