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大腦是人體最復(fù)雜的器官, 也是高超、精巧和完善的信息處理系統(tǒng)。雖然現(xiàn)代人工智能模型在識別圖像、語音、文字等方面已經(jīng)有優(yōu)異的表現(xiàn)，但相較于能處理復(fù)雜多變環(huán)境信息的大腦，人工智能模型仍“遜色”不少。

人腦的信息處理機制能為人工智能“進(jìn)化”開辟新思路嗎？近日，中科院自動化研究所研究員曾毅團(tuán)隊提出了受量子疊加啟發(fā)的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（QS-SNN），相比傳統(tǒng)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它在背景反轉(zhuǎn)圖像識別、帶有噪聲的圖像識別方面都表現(xiàn)出了更好的泛化能力。相關(guān)研究成果發(fā)表于《交叉科學(xué)》。

靈感源于量子大腦假說

大腦的高效性受很多重要因素影響，包括大腦神經(jīng)元的種類、數(shù)量以及連接的復(fù)雜性。此外，神經(jīng)元發(fā)放的脈沖序列所具有的時間維度信息、大腦中可能存在的量子信息處理機制都可能是大腦產(chǎn)生高級功能的關(guān)鍵。

量子生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)一些生物反應(yīng)過程中可以觀測到量子效應(yīng)，但大腦是否是一個量子信息處理系統(tǒng)仍存爭議。曾毅表示，開展這項研究并不是為了給量子大腦假說提供直接的有說服力的證據(jù)，而是探索受量子信息理論和大腦脈沖信號編碼啟發(fā)的新型人工智能模型。

他認(rèn)為，與傳統(tǒng)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同，大腦的復(fù)雜認(rèn)知功能，一方面源于其神經(jīng)元和網(wǎng)絡(luò)連接的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，另一方面源于其強大的信息編碼能力。雖然以往的研究已經(jīng)證明量子計算的引入加速人工智能模型的信息處理，但他們?nèi)韵Ｍ肀脔鑿剑ㄟ^量子理論的引入使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得前所未有的能力。

“量子信息和神經(jīng)元脈沖之間具有機制上的相似性。量子態(tài)以希爾伯特空間的復(fù)向量表示，對應(yīng)的神經(jīng)元脈沖也具有頻率和相位時空維度信息，而傳統(tǒng)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只在實數(shù)空間表示信息，信息維度的拓展意味著表示能力加強。”曾毅解釋道。

基于此，研究人員提出了受量子信息啟發(fā)的神經(jīng)元脈沖頻率—相位信息編碼模式，該模式結(jié)合脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠很好地處理背景反轉(zhuǎn)的圖片以及加入背景噪聲的圖片，獲得超過傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能。

更接近于人的能力

對于背景反轉(zhuǎn)等圖像屬性的巨大變化，傳統(tǒng)的全連接人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是難以處理的，而QS-SNN模型在識別背景反轉(zhuǎn)圖像時，能夠保持識別性能基本不變，這與人類的認(rèn)知行為更接近。

不僅如此，與其他神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相比，QS-SNN在抗干擾能力方面也更接近人類的視覺能力。隨著更多反轉(zhuǎn)像素噪聲添加到圖像中，它們變得越來越難以識別，而當(dāng)更多的噪聲添加到像素中，圖像特征再次變得清晰，QS-SNN迅速恢復(fù)了對圖像的識別能力，而其他的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型卻沒有。

實際上，傳統(tǒng)的量子機器學(xué)習(xí)研究中，會將圖像處理方法與量子信息理論相結(jié)合，將圖像轉(zhuǎn)換為量子狀態(tài)，從而使用量子計算加速圖像處理算法。但曾毅認(rèn)為，這樣的融合并沒有賦予人工智能模型新的認(rèn)知能力。

該論文第一作者、中科院自動化研究所博士生孫胤乾表示，該研究提出了一種互補疊加信息編碼方法，并在量子圖像形成和時空脈沖序列之間建立了聯(lián)系。與柔性量子圖像表征算法不同的是，這種編碼方法在借鑒傳統(tǒng)量子圖像編碼的基礎(chǔ)上使用了糾纏態(tài)量子比特編碼原始圖片信息和背景反轉(zhuǎn)圖片信息，而柔性量子圖像表征算法只是編碼像素信息。

實際上，早在2017年，曾毅團(tuán)隊就開始類腦量子智能的研究，他們相信，將量子理論融入類腦智能的研究會給傳統(tǒng)的人工智能模型帶來新的能力。“雖然這只是初步嘗試后取得的點滴成果，但讓我們在開展后續(xù)研究時信心倍增。”

來源：《中國科學(xué)報》