Оптимизация нейронных сетей. Прорыв в реконструкции траекторий

Исследователи Лаборатории информационных технологий им. М. Г. Мещерякова из Объединённого института ядерных исследований разработали улучшенные методы трекинга элементарных частиц с помощью нейронных сетей Хопфилда. Они предложили оптимизацию параметров энергетической функции сети, что позволяет учесть специфику эксперимента SPD и улучшить результаты трекинга.

В экспериментах по физике частиц, таких как SPD на коллайдере NICA, критически важно точно реконструировать траектории элементарных частиц. Из-за высокой частоты взаимодействий (3 МГц) и значительного уровня шумов, задачи трекинга становятся крайне сложными. Трекинг включает в себя определение последовательности точек прохождения частиц через детекторы, известных как хиты, и их объединение в полные траектории.

В 1980-х годах была предложена нейронная сеть Хопфилда для решения задач трекинга. Эта сеть представляет собой рекуррентную сеть, в которой нейроны соответствуют возможным парам хитов, а веса сети настроены таким образом, чтобы минимизировать угол между сегментами траектории, обеспечивая её гладкость. Однако, из-за медленной сходимости и чувствительности к шуму, эта методика не получила широкого применения.

С недавним развитием квантовых компьютеров и методов квантового отжига, интерес к нейросетям Хопфилда вновь возрос. Квантовый отжиг, в отличие от классических методов, использует квантовые эффекты для поиска глобальных минимумов функции энергии, что значительно ускоряет процесс оптимизации.

В рамках эксперимента SPD сотрудники ОИЯИ адаптировали нейросеть Хопфилда для трекинга множества событий, ожидаемых в эксперименте. Они провели детальную настройку параметров сети и её энергетической функции, что позволило значительно повысить качество трекинга. Также были изучены возможности применения квантового отжига для решения этих задач, что открыло новые перспективы для улучшения трекинга.

Эти достижения могут значительно повысить эффективность реконструкции траекторий в условиях высокой частоты взаимодействий и значительного уровня шумов, что является ключевым для успешного проведения экспериментов на коллайдере NICA.