設計と学習で進展する熱力学的コンピューティング (Thermodynamic Computing Advances with Design and Training)

2026-03-05アメリカ合衆国・ローレンスバークレー国立研究所(LBNL)

米国ローレンス・バークレー国立研究所(LBL)などの研究チームは、熱力学的原理を利用して計算を行う「サーモダイナミック・コンピューティング(Thermodynamic Computing)」の設計・学習手法を発展させた。従来のデジタル計算は高精度だが、大規模AI処理では膨大な電力を消費する課題がある。これに対し本研究では、物理系がエネルギー最小状態へ自然に移行する性質を利用し、低消費電力で最適化問題を解く新しい計算方式を提案した。研究チームは、熱力学的計算素子をニューラルネットワークのように訓練する方法を開発し、組合せ最適化や機械学習タスクへの適用可能性を示した。さらに、物理法則に基づくアナログ計算を安定かつ効率的に制御する設計原理も提示した。今後、省エネルギー型AIや次世代計算機アーキテクチャへの応用が期待される。

<関連情報>

非線形熱力学計算による非平衡状態 Nonlinear thermodynamic computing out of equilibrium

Stephen Whitelam &Corneel Casert
Nature Communications  Published:10 January 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-67958-0

Fig. 1: Thermodynamic neurons.Fig. 1: Thermodynamic neurons.

Abstract

We present the design for a thermodynamic computer that can perform arbitrary nonlinear calculations in or out of equilibrium. Simple thermodynamic circuits, fluctuating degrees of freedom in contact with a thermal bath and confined by a quartic potential, display an activity that is a nonlinear function of their input. Such circuits can therefore be regarded as thermodynamic neurons, and can serve as the building blocks of networked structures that act as thermodynamic neural networks, universal function approximators whose operation is powered by thermal fluctuations. We simulate a digital model of a thermodynamic neural network, and show that its parameters can be adjusted by genetic algorithm to perform nonlinear calculations at specified observation times, regardless of whether the system has attained thermal equilibrium. This work expands the field of thermodynamic computing beyond the regime of thermal equilibrium, enabling fully nonlinear computations, analogous to those performed by classical neural networks, at specified observation times.

1603情報システム・データ工学
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