2024-08

迈向 3D AI 硬件：异构系统集成和 AI 系统的 3D 堆栈的细粒度硬件表征

分类： 新兴技术

作者： Eren Kurshan, Paul Franzon

发布时间： 2024-08-31

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10539v1

摘要： 3D 集成在提高规模终结时代的系统性能和效率方面提供了关键优势。它能够整合异构系统组件和不同的技术，消除片外通信限制，减少片上延迟和总功耗。此外，人工智能对更高计算能力、更大GPU缓存容量、能源效率和低功耗定制人工智能硬件集成的需求都是3D集成的驱动因素。尽管增强互连性和提高性能等 3D 优势已通过众多技术站点得到证明，但异构 3D 系统设计仍提出了许多悬而未决的问题。主要挑战包括由系统组件之间复杂的交互模式引起的温度和寿命可靠性问题。此类交互很难使用当前的建模工具进行建模，并且需要详细的硬件表征。这项研究介绍了 3D 集成的最新驱动程序以及由此产生的对硬件仿真框架的需求。然后，它提出了一种设计来分析功率、温度、噪声、层间带宽和寿命可靠性特征，可以模拟各种堆叠替代方案。该框架允许控制宏观层面的活动水平，以及定制的传感器基础设施来表征热传播、层间噪声、电力传输、可靠性和互连性以及关键设计目标之间的相互作用。

具有自我主权身份的消费者物联网设备的安全所有权管理和转移

分类： 密码学和安全, 新兴技术

作者： Nazmus Sakib, Md Yeasin Ali, Nuran Mubashshira Momo, Marzia Islam Mumu, Masum Al Nahid, Fairuz Rahaman Chowdhury, Md Sadek Ferdous

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.17184v1

摘要： 过去 10-12 年，物联网 (IoT) 的普及推动了其在我们的家庭和工业中的使用。然而，涉及物联网设备的身份管理和所有权转移存在一些重大问题，特别是对于消费者物联网设备，例如。 g。智能家电，如智能电视、智能冰箱等。已经有一些尝试来解决这个问题；然而，到目前为止，以用户为中心的、有效的物联网设备所有权和身份管理还不是很成功。最近，区块链技术已被用来解决这些问题，但成效有限。本文介绍了一种基于自我主权身份 (SSI) 的系统，该系统有助于实现安全且以用户为中心的消费者物联网设备的所有权管理和转移。该系统在 SSI 的保护下利用了许多新兴技术，例如区块链和去中心化标识符 (DID)、可验证凭证 (VC)。我们提出了基于威胁模型和需求分析的系统架构，讨论了基于所提出的系统的概念验证的实现，并说明了许多用例及其详细的协议流。此外，我们使用最先进的协议验证工具 ProVerif 分析其安全性并检查其性能。

Colaboot：基于云的无盘 PC 启动机制

分类： 密码学和安全, 新兴技术

作者： Aditya Mitra, Anisha Ghosh, Sibi Chakkaravarthy Sethuraman, Devi Priya V S

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.17045v1

摘要： 最近基于端点的安全事件和威胁的增加迫使企业运营转向虚拟桌面基础设施和基于 Web 的应用程序。除了减少潜在危险之外，这还保证了每个用户都有一致的桌面环境。另一方面，由于所有端点都连接到公司网络，因此攻击面大大增加，这可能隐藏恶意软件和其他高级持续威胁。这会导致每个端点上的系统资源大量损失。因此，我们的工作提出了一个名为 Colaboot 的标准，该标准使整个公司的机器能够从单一操作系统启动，以解决这些问题并保证一致的操作系统环境，可以轻松地在所有工作站上更新到最新的安全补丁。

AI 驱动的 QML 模型逆向工程

分类： 量子物理学, 新兴技术, 机器学习

作者： Archisman Ghosh, Swaroop Ghosh

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16929v1

摘要： 量子机器学习 (QML) 是一个快速新兴的研究领域，由噪声中级量子 (NISQ) 设备的功能推动。随着QML模型研究的进展，第三方量子云服务不断兴起，以满足日益增长的资源需求。新的安全问题浮出水面，特别是有关保护知识产权 (IP) 免受不可信服务提供商侵害的问题。最紧迫的风险之一是恶意行为者可能进行逆向工程 (RE)，他们可能会窃取专有量子 IP，例如经过训练的参数和 QML 架构，对其进行修改以删除额外的水印或签名，并将其重新转译为其他量子硬件。先前的工作提出了一种对 QML 参数进行强力方法，这需要指数级的时间开销。在本文中，我们介绍了一种基于自动编码器的方法，从部署在不受信任的第三方供应商上的转译 QML 模型中提取参数。我们对多量子位分类器进行了实验，并注意到它们可以在受限条件下进行逆向工程，平均误差为 10^-1。准备数据集和训练模型以对 QML 电路进行逆向工程所需的时间约为 10^3 秒（比之前报告的 4 层 4 量子位分类器的值好 10^2 倍）稀土的威胁非常强大，强调需要继续发展有效的防御措施。

使用亲子二元块播放协议和注意力增强型 GCN-xLSTM 混合深度学习框架增强自闭症谱系障碍的早期检测

分类： 计算机视觉和模式识别, 新兴技术

作者： Xiang Li, Lizhou Fan, Hanbo Wu, Kunping Chen, Xiaoxiao Yu, Chao Che, Zhifeng Cai, Xiuhong Niu, Aihua Cao, Xin Ma

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16924v1

摘要： 自闭症谱系障碍 (ASD) 是一种快速发展的神经发育障碍。及时干预对于自闭症幼儿的成长至关重要，但传统的临床筛查方法缺乏客观性。这项研究介绍了一种早期检测 ASD 的创新方法。贡献是三重的。首先，这项工作提出了一种新颖的亲子二人块游戏 (PCB) 协议，该协议以运动学和神经科学研究为基础，旨在识别区分自闭症谱系障碍 (ASD) 和典型发育 (TD) 幼儿的行为模式。其次，我们编制了一个大量的视频数据集，其中包含 40 个 ASD 和 89 个 TD 幼儿与父母一起玩积木游戏。该数据集在参与者规模和单个会议时长方面都超过了之前的努力。第三，我们的视频动作分析方法采用混合深度学习框架，将双流图卷积网络与注意力增强型 xLSTM (2sGCN-AxLSTM) 集成。该框架擅长通过提取与上半身和头部运动相关的空间特征并关注动作序列随时间变化的全局上下文信息来捕获幼儿和父母之间的动态互动。通过学习这些具有时空相关性的全局特征，我们的 2sGCN-AxLSTM 可以有效分析动态人类行为模式，并在 ASD 早期检测中展现出前所未有的 89.6% 准确率。我们的方法通过准确分析亲子互动，显示出增强早期自闭症谱系障碍诊断的巨大潜力，为支持及时、明智的临床决策提供了关键工具。

零信任架构区块链原型模型，采用基于 EigenTrust 的实用拜占庭容错协议来管理去中心化临床试验

分类： 密码学和安全, 新兴技术, 信息检索

作者： Ashok Kumar Peepliwall, Hari Mohan Pandey, Surya Prakash, Anand A Mahajan, Sudhinder Singh Chowhan, Vinesh Kumar, Rahul Sharma

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16885v1

摘要： 由于保留患者、加速试验、提高数据可访问性、实现虚拟护理并通过集成系统促进无缝通信，COVID-19 大流行需要分散式临床试验 (DCT) 的出现。然而，DCT 中的集成系统使临床数据面临潜在的安全威胁，使其在任何阶段都容易被盗，协议偏差和监控问题的风险很高。为了缓解这些挑战，区块链技术作为一个安全框架，充当去中心化账本，通过建立零信任架构来创建不可变的环境，其中数据在经过验证之前被视为不可信。与支持物联网 (IoT) 的可穿戴设备相结合，区块链可确保 DCT 自动化和操作期间临床试验数据在私有区块链上的传输。本文提出了一种零信任架构区块链（z-TAB）原型模型，用于在 DCT 运营管理过程中整合患者生成的临床试验数据。基于 EigenTrust 的实用拜占庭容错 (T-PBFT) 算法已被纳入共识协议，并利用 Hyperledger Fabric。此外，还集成了物联网（IoT），以简化区块链平台内利益相关者之间的数据处理。已经进行了严格的评估来评估系统的质量。

利用集成传感和通信信号提取无人机旋翼微多普勒特征：算法设计和测试台评估

分类： 信号处理, 新兴技术

作者： Jiachen Wei, Dingyou Ma, Feiyang He, Qixun Zhang, Zhiyong Feng, Zhengfeng Liu, Taohong Liang

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16415v1

摘要： 随着无人机在城市地区的快速应用，悬停无人机的识别和跟踪已成为严峻挑战，严重影响飞机起降作业的安全。作为 6G 移动系统的一项有前景的技术，集成传感与通信（ISAC）可用于以较低的部署成本检测高机动性无人机。来自无人机旋翼的微多普勒信号可用于使用 ISAC 信号检测低机动性和悬停无人机。然而，确定ISAC系统的框架结构是否可以用于识别无人机，以及如何在复杂环境下准确捕获无人机的微弱旋翼微多普勒信号，仍然是两个具有挑战性的问题。本文首先提出了一种新颖的帧结构，用于无人机微多普勒提取以及无人机微多普勒信号在信道状态信息（CSI）内的表示。此外，针对复杂环境和无人机机身振动带来的干扰，设计了旋翼微多普勒零空间追踪（rmD-NSP）算法和同步提取变换（SET）特征提取算法，有效分离无人机旋翼微多普勒信号并增强它们在频谱图中的特征。最后，仿真和硬件测试台都表明，所提出的 rmD-NSP 算法使 ISAC 基站（BS）能够准确、完整地提取无人机旋翼微多普勒信号。在0.1秒的观测时间内，ISAC BS成功捕获了DJI M300 RTK无人机转子在城市环境中的八次旋转。与现有的AM-FM NSP和NSP信号分解算法相比，转子微多普勒特征的完整性提高了60%。

用于化学电阻传感器阵列紧凑读出的量子核主成分分析

分类： 信号处理, 人工智能, 新兴技术, 机器学习

作者： Zeheng Wang, Timothy van der Laan, Muhammad Usman

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00115v1

摘要： 物联网 (IoT) 设备的快速增长需要高效的数据压缩技术来处理这些设备生成的大量数据。在这种情况下，化学电阻传感器阵列（CSA）是物联网系统中一种易于制造但至关重要的组件，由于同时进行多传感器操作，会生成大量数据。经典主成分分析 (cPCA) 方法是应对数据压缩挑战的常见解决方案，但在降维过程中保留关键信息方面面临限制。在这项研究中，我们提出量子主成分分析（qPCA）作为增强信息保留的绝佳替代方案。我们的研究结果表明，qPCA 在各种后端机器学习建模任务中优于 cPCA，特别是在可以访问有限量子位 (qubit) 的低维场景中。这些结果强调了尽管当前量子位有限，噪声中型量子 (NISQ) 计算机在现实世界物联网应用中彻底改变数据处理的潜力，特别是在提高 CSA 数据压缩和读出的效率和可靠性方面。

将大型语言模型作为治疗工具：比较改进 GPT 提供的问题解决疗法的提示技术

分类： 计算和语言, 人工智能, 新兴技术, 人机交互, 机器学习

作者： Daniil Filienko, Yinzhou Wang, Caroline El Jazmi, Serena Xie, Trevor Cohen, Martine De Cock, Weichao Yuwen

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00112v1

摘要： 虽然大型语言模型 (LLM) 正在迅速适应包括医疗保健在内的许多领域，但它们的优势和缺陷仍未得到充分探索。在我们的研究中，我们检查了提示工程的效果，以指导大型语言模型（LLM）通过文本提供问题解决疗法（PST）会话的部分内容，特别是在个性化目标设定的症状识别和评估阶段。我们通过自动指标和经验丰富的医疗专业人员提供模型性能的评估结果。我们证明，通过正确使用即时工程方法可以提高模型提供协议治疗的能力，尽管存在局限性。据我们所知，这项研究是第一个评估各种提示技术在增强通才模型提供心理治疗的能力方面的效果的研究之一，重点关注整体质量、一致性和同理心。鉴于目前心理健康专业人员短缺且需求巨大，探索大语言模型在提供心理治疗方面的潜力有望提高基于人工智能和人工智能增强的护理服务的潜在效用。

具有传输 RIS 的支持 CR 的 NOMA 集成非地面物联网网络

分类： 新兴技术, 信号处理

作者： Wali Ullah Khan, Zain Ali, Asad Mahmood, Eva Lagunas, Syed Tariq Shah, Symeon Chatzinotas

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15084v1

摘要： 这项工作提出了在支持认知无线电的集成 NTN 中配备 T-RIS 的 LEO 卫星通信。在所提出的系统中，GEO 卫星作为主网络，配备 T-RIS 的 LEO 卫星作为辅助物联网网络。目标是最大化使用下行NOMA的配备T-RIS的LEO卫星通信的总速率，同时确保GEO蜂窝用户的服务质量。我们的框架根据 LIoT 的服务质量和对主要 GEO 网络的干扰温度，同时优化 LEO 的总发射功率、LEO IoT (LIoT) 的 NOMA 功率分配和 T-RIS 相移设计。为了解决非凸和率最大化问题，我们首先采用连续凸近似来降低公式化优化的复杂性。然后，我们将问题分为两部分，即LEO的功率分配和T-RIS的相移设计。功率分配问题使用KKT条件求解，而相移问题通过泰勒近似和半定规划处理。提供数值结果来验证所提出的优化框架。

欧洲量子生态系统——让行业为量子安全和通信革命做好准备

分类： 量子物理学, 新兴技术, 网络和互联网架构

作者： Noel Farrugia, Daniel Bonanno, Nicholas Frendo, André Xuereb, Evangelos Kosmatos, Alexandros Stavdas, Marco Russo, Bartolomeo Montrucchio, Marco Menchetti, Davide Bacco, Silvia Marigonda, Francesco Stocco, Guglielmo Morgari, Antonio Manzalini

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15027v1

摘要： 越来越多的证据表明，基于检测和操纵单个量子粒子（例如电子、光子、离子等）的技术能力的第二次量子革命正在快速进展，这是第一次量子革命期间未实现的壮举。预计在不到10年的时间里，第二次量子革命将对金融、医药、能源、交通等众多行业产生重大影响。量子计算机威胁着网络安全的现状，因为已知的量子算法可以打破非对称加密，这使我们能够使用公共通道进行安全通信。考虑到世界对通过数据交换和处理进行数字通信的依赖，即使量子计算机发挥作用，仍能保持安全通信的能力，这一点再怎么强调也不为过。有两种解决方案可供选择：量子密钥分发（QKD）和后量子密码学（PQC）；我们强调，这两者并不相互排斥。 EQUO 是 EuroQCI 计划的一部分，该计划重点关注 QKD，旨在建立一个网络，使欧盟国家能够通过 QKD 进行安全通信。为此，DEP（数字欧洲计划）项目旨在通过部署 QKD 测试网络来使 QKD 技术成熟，并通过此练习，从运营商的角度了解在将 QKD 集成到其网络中时缺少什么来了。

可持续的数据民主化：为了公平的未来而进行的多方面投资

分类： 数据库, 计算工程、金融和科学, 计算机与社会, 新兴技术

作者： Michela Taufer, Valerio Pascucci, Christine R. Kirkpatric, Ian T. Foster

发布时间： 2024-08-26

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14627v1

摘要： 科学研究中数据民主化的迫切需要是 2023 年 11 月 12 日至 17 日在科罗拉多州丹佛举行的 SC23 小组讨论的焦点。本文总结了该讨论和后续对话的结果。我们主张对财务、人力和技术资源进行战略投资，以实现可持续的数据民主化。我们强调数据对于科学发现和人工智能部署至关重要，同时也强调了数据获取有限、跨领域协作的财务激励不足以及劳动力发展计划缺乏等障碍。我们的建议旨在指导决策者培育包容性的研究社区，打破研究孤岛，并培养一支熟练的劳动力队伍以推进科学发现。

物联网灯泡的安全问题：调查隐蔽通道

分类： 密码学和安全, 新兴技术

作者： Ravisha Rohilla, Janvi Panwar

发布时间： 2024-08-26

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14613v1

摘要： 物联网 (IoT) 设备的激增引发了对其安全漏洞的严重担忧。本文探讨了与智能灯系统相关的安全风险，重点关注隐蔽通信渠道。该研究借鉴了之前强调通信协议漏洞和加密缺陷的研究，调查了利用智能灯系统进行秘密数据传输的潜力。具体来说，本文复制并分析了 Ronen 和 Shamir 提出的一种攻击方法，该方法利用飞利浦 Hue 白光照明系统通过可见光通信（VLC）创建隐蔽通道。实验结果证明了利用智能灯泡的固有功能，通过亮度水平的细微变化秘密传输数据的可行性。尽管有限制。由于设备限制和通信协议所带来的影响，该研究强调了物联网环境中提高意识和安全措施的必要性。最终，研究结果强调了在敏感环境中部署联网物联网设备时实施稳健的安全实践和谨慎行事的重要性。

使用量子计算进行经典电路的等效性检查

分类： 量子物理学, 新兴技术

作者： Nils Quetschlich, Tobias Forster, Adrian Osterwind, Domenik Helms, Robert Wille

发布时间： 2024-08-26

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14539v1

摘要： 量子计算机和量子算法在过去几年中取得了长足的进步，并有望在特定任务上比经典计算有所改进。尽管在撰写本文时当前的硬件尚未准备好产生真正的影响，但这种情况将在未来几年内发生变化。为了为此做好准备，在尚未出现的应用领域分享量子计算知识非常重要。其中一种应用是经典电路的验证，特别是等效性检查。尽管为了克服验证差距，这个问题已经被研究了几十年，但如何使用量子计算来解决这个问题还几乎没有被研究过。在这项工作中，我们通过考虑一种可能简单的方法来解决这个问题：使用 Grover 算法。然而，我们还表明，尽管这可能是一个显而易见的选择，但为了获得有意义的结果，需要避免几个陷阱。这导致提出了用于等效检查的量子计算方法的工作概念，为（不久的将来）相应的解决方案奠定了基础。

克服在智慧城市应用中使用链接开放数据的障碍

分类： 计算机与社会, 新兴技术

作者： Javier Conde, Andres Munoz-Arcentales, Johnny Choque, Gabriel Huecas, Álvaro Alonso

发布时间： 2024-08-26

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14315v1

摘要： 我们研究了在智慧城市应用中使用关联开放数据的好处和挑战，并在公共租赁自行车系统的案例中提出了一套开源、高度可扩展的工具，可以作为其他智慧城市应用的参考指南。

增强现实应用建模语言的多方面评估——以ARWFML为例

分类： 计算和语言, 新兴技术

作者： Fabian Muff, Hans-Georg Fill

发布时间： 2024-08-26

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14137v1

摘要： 由于增强现实应用程序的建模语言所针对的三维环境，其评估提出了特殊的挑战。之前推出的增强现实工作流建模语言 (ARWFML) 无需具备编程知识即可基于模型创建增强现实场景。在该语言规范的第一个设计周期的基础上，本文提出了两个进一步的设计迭代，以基于多方面的评估来完善该语言。其中包括对实施选项和工作流程功能的比较评估、引入 3D 符号以及开发新的 3D 建模环境。在此基础上，对语言的可理解性进行了研究。因此，我们展示了增强现实的建模语言如何发展到适合经验评估的成熟度水平。

使用 WebXR 和 A-Frame 的开放、跨平台、基于 Web 的 Metaverse

分类： 计算机视觉和模式识别, 新兴技术, 人机交互, 多媒体

作者： Giuseppe Macario

发布时间： 2024-08-24

链接： http://arxiv.org/abs/2408.13520v1

摘要： 元宇宙在过去几年中受到了文献和工业界的广泛关注，但由于缺乏开放和跨平台的架构，导致许多不同的元宇宙无法相互通信。这项工作提出了一种基于 WebXR 的跨平台架构，用于使用 A-Frame 和 Networked-Aframe 框架开发空间 Web 应用程序，以实现开放且可互操作的元宇宙，可从网络和扩展现实设备访问。原型已实施并评估，支持技术堆栈的能力，以实现跨不同平台和设备的沉浸式体验。对沉浸式环境易用性的积极反馈进一步证实了所提出的方法，强调了其在促进参与和交互式虚拟空间方面的有效性。通过坚持互操作性和包容性原则，它实现了蒂姆·伯纳斯·李将万维网作为超越地理和技术界限的开放平台的愿景。

ReCon：为量子生成对抗网络重新配置模拟里德伯原子量子计算机

分类： 量子物理学, 计算机视觉和模式识别, 新兴技术

作者： Nicholas S. DiBrita, Daniel Leeds, Yuqian Huo, Jason Ludmir, Tirthak Patel

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.13389v1

摘要： 量子计算在一些机器学习任务中显示出加速的理论前景，包括使用生成对抗网络（GAN）的生成任务。虽然量子计算机已经通过不同类型的技术实现，但最近，模拟里德伯原子量子计算机已被证明具有理想的特性，例如可重新配置的量子位（量子位）位置和多量子位操作。为了利用这项技术的特性，我们提出了 ReCon，这是第一个在模拟里德堡原子量子计算机上实现量子 GAN 的工作。我们使用模拟和真实计算机执行进行的评估显示，生成的图像质量（使用 Frechet 起始距离 (FID) 测量）比超导量子位技术上实现的最先进技术高出 33%。

使用区块链进行物联网监控：根据服务级别协议生成智能合约

分类： 分布式、并行和集群计算, 密码学和安全, 新兴技术, 网络和互联网架构

作者： Adam Booth, Awatif Alqahtani, Ellis Solaiman

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15016v1

摘要： 服务级别协议 (SLA) 是客户和提供商之间的承诺，确保客户在购买服务时期望获得的服务质量 (QoS)。然而，物联网 (IoT) 服务监控数据中违反 SLA 的证据可能会被提供商或消费者操纵，从而导致缔约方之间出现信任问题。以下研究旨在探索区块链技术在使用智能合约监控物联网系统中的应用，以便捕获的 SLA 违规行为在服务提供商和客户中是无可辩驳的。该研究的重点是开发能够根据给定 SLA 生成智能合约的 Java 库。该库生成的智能合约通过以远程患者监护物联网系统形式呈现的模拟场景进行验证。在这种情况下，研究结果表明捕获所有模拟违规行为的成功率为 100%。

生成区块链：通过优点证明将区块链从交易记录转变为交易生成

分类： 密码学和安全, 新兴技术

作者： Haozhao Zhang, Zhe Zhang, Zhiqiang Zheng, Varghese Jacob

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.13367v1

摘要： 本文提出了一种新的范式：生成式区块链，旨在通过将交易生成和记录相结合来改变传统的区块链技术，而不是仅仅专注于交易记录。我们设计的核心是一种新颖的共识机制，即优点证明（PoM），专门针对企业必须在记录交易之前解决复杂问题的环境而设计。 PoM 将交易的生成和记录集成在统一的区块链系统中，与主要记录现有交易的主流共识机制有着根本的不同。我们在乘车服务点播平台上演示了 PoM，其中解决复杂交易生成问题的任务被委托给一组独立的问题解决者。这些求解器生成交易，并根据优点选择它们的解决方案。然后获胜的解决者将这些交易注册到区块链上并获得相应的奖励。我们引入分散控制参数（DCP）来平衡两个关键绩效指标：效率和公平。我们的生成区块链的适用性通过乘车共享环境来说明，其中匹配器（求解器）的任务是将乘客与司机进行匹配。我们使用基于代理的模拟来演示 PoM 的性能和细微差别的属性，探索如何找到最佳 DCP 值，以在生成区块链中实现效率和公平的理想平衡。

物联网应用的 SLA 概念模型

分类： 分布式、并行和集群计算, 新兴技术, 网络和互联网架构

作者： Awatif Alqahtani, Ellis Solaiman, Rajiv Ranjan

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15013v1

摘要： 由于 SLA 指定了消费者和提供商之间正式使用的合同条款，因此需要从云、网络和设备的角度聚合 QoS 要求，以提供承诺的物联网功能。因此，本章的主要目标是提供物联网SLA的概念模型以及丰富的词汇来描述物联网端到端的QoS和特定领域的配置参数。我们首先提出一个概念模型，用于识别在指定端到端 SLA 中发挥作用的主要概念。然后，我们确定与每个概念相关的一些最常见的 QoS 指标和配置参数。我们使用面向目标的方法评估了所提出的概念模型，研究参与者对所提出的概念模型及其以一般方式捕获主要概念的能力表示高度满意。

QuCLEAR：Clifford 提取和吸收可显着减小量子电路尺寸

分类： 量子物理学, 新兴技术

作者： Ji Liu, Alvin Gonzales, Benchen Huang, Zain Hamid Saleem, Paul Hovland

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.13316v1

摘要： 量子计算在解决实际问题方面具有巨大潜力。然而，当前可用的量子器件存在量子门噪声，这会降低所执行的量子电路的保真度。因此，量子电路优化对于获得有用的结果至关重要。在本文中，我们提出了 QuCLEAR，一个旨在优化量子电路的编译框架。 QuCLEAR 通过两个新颖的优化步骤显着减少了双量子位门数和电路深度。首先，我们介绍 Clifford 提取的概念，即在优化门的同时将 Clifford 子电路提取到电路末端。其次，由于 Clifford 电路是经典可模拟的，因此我们提出 Clifford 吸收，它可以有效地经典地处理提取的 Clifford 子电路。我们展示了我们的量子模拟电路框架，该框架在量子化学模拟、多体物理和组合优化问题中具有广泛的应用。 VQE 和 QAOA 等近期算法也属于这一类。各种基准测试的实验结果表明，与最先进的方法相比，QuCLEAR 的 CNOT 门数最多减少了 77.7%$，纠缠深度最多减少了 84.1%$。

SAM-SP: Self-Prompting Makes SAM Great Again

分类： 计算机视觉和模式识别, 人工智能, 新兴技术

作者： Chunpeng Zhou, Kangjie Ning, Qianqian Shen, Sheng Zhou, Zhi Yu, Haishuai Wang

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12364v1

摘要： The recently introduced Segment Anything Model (SAM), a Visual Foundation Model (VFM), has demonstrated impressive capabilities in zero-shot segmentation tasks across diverse natural image datasets. Despite its success, SAM encounters noticeably performance degradation when applied to specific domains, such as medical images. Current efforts to address this issue have involved fine-tuning strategies, intended to bolster the generalizability of the vanilla SAM. However, these approaches still predominantly necessitate the utilization of domain specific expert-level prompts during the evaluation phase, which severely constrains the model's practicality. To overcome this limitation, we introduce a novel self-prompting based fine-tuning approach, called SAM-SP, tailored for extending the vanilla SAM model. Specifically, SAM-SP leverages the output from the previous iteration of the model itself as prompts to guide subsequent iteration of the model. This self-prompting module endeavors to learn how to generate useful prompts autonomously and alleviates the dependence on expert prompts during the evaluation phase, significantly broadening SAM's applicability. Additionally, we integrate a self-distillation module to enhance the self-prompting process further. Extensive experiments across various domain specific datasets validate the effectiveness of the proposed SAM-SP. Our SAM-SP not only alleviates the reliance on expert prompts but also exhibits superior segmentation performance comparing to the state-of-the-art task-specific segmentation approaches, the vanilla SAM, and SAM-based approaches.

Automated Synthesis of Fault-Tolerant State Preparation Circuits for Quantum Error Correction Codes

分类： 量子物理学, 新兴技术

作者： Tom Peham, Ludwig Schmid, Lucas Berent, Markus Müller, Robert Wille

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11894v1

摘要： A central ingredient in fault-tolerant quantum algorithms is the initialization of a logical state for a given quantum error-correcting code from a set of noisy qubits. A scheme that has demonstrated promising results for small code instances that are realizable on currently available hardware composes a non-fault-tolerant state preparation step with a verification step that checks for spreading errors. Known circuit constructions of this scheme are mostly obtained manually, and no algorithmic techniques for constructing depth- or gate-optimal circuits exist. As a consequence, the current state of the art exploits this scheme only for specific code instances and mostly for the special case of distance 3 codes. In this work, we propose an automated approach for synthesizing fault-tolerant state preparation circuits for arbitrary CSS codes. We utilize methods based on satisfiability solving (SAT) techniques to construct fault-tolerant state preparation circuits consisting of depth- and gate-optimal preparation and verification circuits. We also provide heuristics that can synthesize fault-tolerant state preparation circuits for code instances where no optimal solution can be obtained in an adequate timeframe. Moreover, we give a general construction for non-deterministic state preparation circuits beyond distance 3. Numerical evaluations using $d=3$ and $d=5$ codes confirm that the generated circuits exhibit the desired scaling of the logical error rates. The resulting methods are publicly available as part of the Munich Quantum Toolkit (MQT) at https://github.com/cda-tum/mqt-qecc. Such methods are an important step in providing fault-tolerant circuit constructions that can aid in near-term demonstration of fault-tolerant quantum computing.

A Systematic Literature Review on the Use of Blockchain Technology in Transition to a Circular Economy

分类： 新兴技术

作者： Ishmam Abid, S. M. Zuhayer Anzum Fuad, Mohammad Jabed Morshed Chowdhury, Mehruba Sharmin Chowdhury, Md Sadek Ferdous

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11664v1

摘要： The circular economy has the potential to increase resource efficiency and minimize waste through the 4R framework of reducing, reusing, recycling, and recovering. Blockchain technology is currently considered a valuable aid in the transition to a circular economy. Its decentralized and tamper-resistant nature enables the construction of transparent and secure supply chain management systems, thereby improving product accountability and traceability. However, the full potential of blockchain technology in circular economy models will not be realized until a number of concerns, including scalability, interoperability, data protection, and regulatory and legal issues, are addressed. More research and stakeholder participation are required to overcome these limitations and achieve the benefits of blockchain technology in promoting a circular economy. This article presents a systematic literature review (SLR) that identified industry use cases for blockchain-driven circular economy models and offered architectures to minimize resource consumption, prices, and inefficiencies while encouraging the reuse, recycling, and recovery of end-of-life products. Three main outcomes emerged from our review of 41 documents, which included scholarly publications, Twitter-linked information, and Google results. The relationship between blockchain and the 4R framework for circular economy; discussion the terminology and various forms of blockchain and circular economy; and identification of the challenges and obstacles that blockchain technology may face in enabling a circular economy. This research shows how blockchain technology can help with the transition to a circular economy. Yet, it emphasizes the importance of additional study and stakeholder participation to overcome potential hurdles and obstacles in implementing blockchain-driven circular economy models.

Empowering Volunteer Crowdsourcing Services: A Serverless-assisted, Skill and Willingness Aware Task Assignment Approach for Amicable Volunteer Involvement

分类： 新兴技术

作者： Riya Samanta, Biswajeet Sethi, Soumya K Ghosh

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11510v1

摘要： Volunteer crowdsourcing (VCS) leverages citizen interaction to address challenges by utilizing individuals' knowledge and skills. Complex social tasks often require collaboration among volunteers with diverse skill sets, and their willingness to engage is crucial. Matching tasks with the most suitable volunteers remains a significant challenge. VCS platforms face unpredictable demands in terms of tasks and volunteer requests, complicating the prediction of resource requirements for the volunteer-to-task assignment process. To address these challenges, we introduce the Skill and Willingness-Aware Volunteer Matching (SWAM) algorithm, which allocates volunteers to tasks based on skills, willingness, and task requirements. We also developed a serverless framework to deploy SWAM. Our method outperforms conventional solutions, achieving a 71% improvement in end-to-end latency efficiency. We achieved a 92% task completion ratio and reduced task waiting time by 56%, with an overall utility gain 30% higher than state-of-the-art baseline methods. This framework contributes to generating effective volunteer and task matches, supporting grassroots community coordination and fostering citizen involvement, ultimately contributing to social good.

Sustainable Volunteer Engagement: Ensuring Potential Retention and Skill Diversity for Balanced Workforce Composition in Crowdsourcing Paradigm

分类： 新兴技术

作者： Riya Samanta, Soumya K Ghosh

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11498v1

摘要： Crowdsourcing (CS) faces the challenge of managing complex, skill-demanding tasks, which requires effective task assignment and retention strategies to sustain a balanced workforce. This challenge has become more significant in Volunteer Crowdsourcing Services (VCS). This study introduces Workforce Composition Balance (WCB), a novel framework designed to maintain workforce diversity in VCS by dynamically adjusting retention decisions. The WCB framework integrates the Volunteer Retention and Value Enhancement (VRAVE) algorithm with advanced skill-based task assignment methods. It ensures efficient remuneration policy for both assigned and unassigned potential volunteers by incorporating their potential levels, participation dividends, and satisfaction scores. Comparative analysis with three state-of-the-art baselines on real dataset shows that our WCB framework achieves 1.4 times better volunteer satisfaction and a 20% higher task retention rate, with only a 12% increase in remuneration. The effectiveness of the proposed WCB approach is to enhance the volunteer engagement and their long-term retention, thus making it suitable for functioning of social good applications where a potential and skilled volunteer workforce is crucial for sustainable community services.

Green Probabilistic Semantic Communication over Wireless Networks

分类： 新兴技术

作者： Ruopeng Xu, Zhaohui Yang, Yijie Mao, Chongwen Huang, Qianqian Yang, Lexi Xu, Wei Xu, Zhaoyang Zhang

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11446v1

摘要： In this paper, we propose a multi-user green semantic communication system facilitated by a probabilistic knowledge graph (PKG). By integrating probability into the knowledge graph, we enable probabilistic semantic communication (PSC) and represent semantic information accordingly. On this basis, a semantic compression model designed for multi-user downlink task-oriented communication is introduced, utilizing the semantic compression ratio (SCR) as a parameter to connect the computation and communication processes of information transmission. Based on the rate-splitting multiple access (RSMA) technology, we derive mathematical expressions for system transmission energy consumption and related formulations. Subsequently, the multi-user green semantic communication system is modeled and the optimal problem with the goal of minimizing system energy consumption comprehensively considering the computation and communication process under given constrains is formulated. In order to address the optimal problem, we propose an alternating optimization algorithm that tackles sub-problems of power allocation and beamforming design, semantic compression ratio, and computation capacity allocation. Simulation results validate the effectiveness of our approach, demonstrating the superiority of our system over methods using Space Division Multiple Access (SDMA) and non-orthogonal multiple access (NOMA) instead of RSMA, and highlighting the benefits of our PSC compression model.

The impact of labeling automotive AI as "trustworthy" or "reliable" on user evaluation and technology acceptance

分类： 人机交互, 人工智能, 新兴技术, K.4.1; H.5.2; H.4.2; J.7; J.4

作者： John Dorsch, Ophelia Deroy

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10905v1

摘要： This study explores whether labeling AI as "trustworthy" or "reliable" influences user perceptions and acceptance of automotive AI technologies. Using a one-way between-subjects design, the research involved 478 online participants who were presented with guidelines for either trustworthy or reliable AI. Participants then evaluated three vignette scenarios and completed a modified version of the Technology Acceptance Model, which included variables such as perceived ease of use, human-like trust, and overall attitude. Although labeling AI as "trustworthy" did not significantly influence judgments on specific scenarios, it increased perceived ease of use and human-like trust, particularly benevolence. This suggests a positive impact on usability and an anthropomorphic effect on user perceptions. The study provides insights into how specific labels can influence attitudes toward AI technology.

Towards Efficient Formal Verification of Spiking Neural Network

分类： 人工智能, 新兴技术, 神经和进化计算

作者： Baekryun Seong, Jieung Kim, Sang-Ki Ko

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10900v1

摘要： Recently, AI research has primarily focused on large language models (LLMs), and increasing accuracy often involves scaling up and consuming more power. The power consumption of AI has become a significant societal issue; in this context, spiking neural networks (SNNs) offer a promising solution. SNNs operate event-driven, like the human brain, and compress information temporally. These characteristics allow SNNs to significantly reduce power consumption compared to perceptron-based artificial neural networks (ANNs), highlighting them as a next-generation neural network technology. However, societal concerns regarding AI go beyond power consumption, with the reliability of AI models being a global issue. For instance, adversarial attacks on AI models are a well-studied problem in the context of traditional neural networks. Despite their importance, the stability and property verification of SNNs remains in the early stages of research. Most SNN verification methods are time-consuming and barely scalable, making practical applications challenging. In this paper, we introduce temporal encoding to achieve practical performance in verifying the adversarial robustness of SNNs. We conduct a theoretical analysis of this approach and demonstrate its success in verifying SNNs at previously unmanageable scales. Our contribution advances SNN verification to a practical level, facilitating the safer application of SNNs.

V-RoAst: A New Dataset for Visual Road Assessment

分类： 计算机视觉和模式识别, 人工智能, 新兴技术

作者： Natchapon Jongwiriyanurak, Zichao Zeng, June Moh Goo, Xinglei Wang, Ilya Ilyankou, Kerkritt Srirrongvikrai, Meihui Wang, James Haworth

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10872v2

摘要： Road traffic crashes cause millions of deaths annually and have a significant economic impact, particularly in low- and middle-income countries (LMICs). This paper presents an approach using Vision Language Models (VLMs) for road safety assessment, overcoming the limitations of traditional Convolutional Neural Networks (CNNs). We introduce a new task ,V-RoAst (Visual question answering for Road Assessment), with a real-world dataset. Our approach optimizes prompt engineering and evaluates advanced VLMs, including Gemini-1.5-flash and GPT-4o-mini. The models effectively examine attributes for road assessment. Using crowdsourced imagery from Mapillary, our scalable solution influentially estimates road safety levels. In addition, this approach is designed for local stakeholders who lack resources, as it does not require training data. It offers a cost-effective and automated methods for global road safety assessments, potentially saving lives and reducing economic burdens.

Single Bridge Formation in Self-Organizing Particle Systems

分类： 分布式、并行和集群计算, 新兴技术

作者： Joseph Briones, Jacob Calvert, Noah Egan, Shunhao Oh, Dana Randall, Andréa W. Richa

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10830v1

摘要： Local interactions of uncoordinated individuals produce the collective behaviors of many biological systems, inspiring much of the current research in programmable matter. A striking example is the spontaneous assembly of fire ants into "bridges" comprising their own bodies to traverse obstacles and reach sources of food. Experiments and simulations suggest that, remarkably, these ants always form one bridge -- instead of multiple, competing bridges -- despite a lack of central coordination. We argue that the reliable formation of a single bridge does not require sophistication on behalf of the individuals by provably reproducing this behavior in a self-organizing particle system. We show that the formation of a single bridge by the particles is a statistical inevitability of their preferences to move in a particular direction, such as toward a food source, and their preference for more neighbors. Two parameters, $\eta$ and $\beta$, reflect the strengths of these preferences and determine the Gibbs stationary measure of the corresponding particle system's Markov chain dynamics. We show that a single bridge almost certainly forms when $\eta$ and $\beta$ are sufficiently large. Our proof introduces an auxiliary Markov chain, called an "occupancy chain", that captures only the significant, global changes to the system. Through the occupancy chain, we abstract away information about the motion of individual particles, but we gain a more direct means of analyzing their collective behavior. Such abstractions provide a promising new direction for understanding many other systems of programmable matter.

Dependable Classical-Quantum Computer Systems Engineering

分类： 量子物理学, 新兴技术

作者： Edoardo Giusto, Santiago Nuñez-Corrales, Phuong Cao, Alessandro Cilardo, Ravishankar K. Iyer, Weiwen Jiang, Paolo Rech, Flavio Vella, Bartolomeo Montrucchio, Samudra Dasgupta, Travis S. Humble

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10484v1

摘要： Quantum Computing (QC) offers the potential to enhance traditional High-Performance Computing (HPC) workloads by leveraging the unique properties of quantum computers, leading to the emergence of a new paradigm: HPC-QC. While this integration presents new opportunities, it also brings novel challenges, particularly in ensuring the dependability of such hybrid systems. This paper aims to identify integration challenges, anticipate failures, and foster a diverse co-design for HPC-QC systems by bringing together QC, cloud computing, HPC, and network security. The focus of this emerging inter-disciplinary effort is to develop engineering principles that ensure the dependability of hybrid systems, aiming for a more prescriptive co-design cycle. Our framework will help to prevent design pitfalls and accelerate the maturation of the QC technology ecosystem. Key aspects include building resilient HPC-QC systems, analyzing the applicability of conventional techniques to the quantum domain, and exploring the complexity of scaling in such hybrid systems. This underscores the need for performance-reliability metrics specific to this new computational paradigm.

Real-Time Digital Twin Platform: A Case Study on Core Network Selection in Aeronautical Ad-Hoc Networks

分类： 网络和互联网架构, 新兴技术

作者： Lal Verda Cakir, Mihriban Kocak, Mehmet Özdem, Berk Canberk

发布时间： 2024-08-19

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10409v1

摘要： The development of Digital Twins (DTs) is hindered by a lack of specialized, open-source solutions that can meet the demands of dynamic applications. This has caused state-of-the-art DT applications to be validated using offline data. However, this approach falls short of integrating real-time data, which is one of the most important characteristics of DTs. This can limit the validating effectiveness of DT applications in cases such as aeronautical ad-hoc networks (AANETs). Considering this, we develop a Real-Time Digital Twin Platform and implement core network selection in AANETs as a case study. In this, we implement microservice-based architecture and design a robust data pipeline. Additionally, we develop an interactive user interface using open-source tools. Using this, the platform supports real-time decision-making in the presence of data retrieval failures.

Experiment-based Models for Air Time and Current Consumption of LoRaWAN LR-FHSS

分类： 新兴技术, 信号处理

作者： Muhammad Asad Ullah, Konstantin Mikhaylov, Hirley Alves

发布时间： 2024-08-19

链接： http://arxiv.org/abs/2408.09954v1

摘要： Long Range - Frequency Hopping Spread Spectrum (LR-FHSS) is an emerging and promising technology recently introduced into the LoRaWAN protocol specification for both terrestrial and non-terrestrial networks, notably satellites. The higher capacity, long-range and robustness to Doppler effect make LR-FHSS a primary candidate for direct-to-satellite (DtS) connectivity for enabling Internet-of-things (IoT) in remote areas. The LR-FHSS devices envisioned for DtS IoT will be primarily battery-powered. Therefore, it is crucial to investigate the current consumption characteristics and Time-on-Air (ToA) of LR-FHSS technology. However, to our knowledge, no prior research has presented the accurate ToA and current consumption models for this newly introduced scheme. This paper addresses this shortcoming through extensive field measurements and the development of analytical models. Specifically, we have measured the current consumption and ToA for variable transmit power, message payload, and two new LR-FHSS-based Data Rates (DR8 and DR9). We also develop current consumption and ToA analytical models demonstrating a strong correlation with the measurement results exhibiting a relative error of less than 0.3%. Thus, it confirms the validity of our models. Conversely, the existing analytical models exhibit a higher relative error rate of -9.2 to 3.4% compared to our measurement results. The presented in this paper results can be further used for simulators or in analytical studies to accurately model the on-air time and energy consumption of LR-FHSS devices.

Experimental Characterization of Hydrodynamic Gating-Based Molecular Communication Transmitter

分类： 新兴技术

作者： Eren Akyol, Ahmet Baha Ozturk, Iman Mokari Bolhassan, Murat Kuscu

发布时间： 2024-08-19

链接： http://arxiv.org/abs/2408.09835v1

摘要： Molecular communication (MC) is a bio-inspired method of transmitting information using biochemical signals, promising for novel medical, agricultural, and environmental applications at the intersection of bio-, nano-, and communication technologies. Developing reliable MC systems for high-rate information transfer remains challenging due to the complex and dynamic nature of application environments and the physical and resource limitations of micro/nanoscale transmitters and receivers. Microfluidics can help overcome many such practical challenges by enabling testbeds that can replicate the application media with precise control over flow conditions. However, existing microfluidic MC testbeds face significant limitations in chemical signal generation with programmable signal waveforms, e.g., in terms of pulse width. To tackle this, we previously proposed a practical microfluidic MC transmitter architecture based on the hydrodynamic gating technique, a prevalent chemical waveform generation method. This paper reports the experimental validation and characterization of this method, examining its precision in terms of spatiotemporal control on the generated molecular concentration pulses. We detail the fabrication of the transmitter, its working mechanism and discuss its potential limitations based on empirical data. We show that the microfluidic transmitter is capable of providing precise, programmable, and reproducible molecular concentration pulses, which would facilitate the experimental research in MC.

Towards the Information-Theoretic Limit of Programmable Photonics

分类： 光学, 新兴技术

作者： Ryan Hamerly, Jasvith Raj Basani, Alexander Sludds, Sri Krishna Vadlamani, Dirk Englund

发布时间： 2024-08-19

链接： http://arxiv.org/abs/2408.09673v1

摘要： The scalability of many programmable photonic circuits is limited by the $2\pi$ tuning range needed for the constituent phase shifters. To address this problem, we introduce the concept of a phase-efficient circuit architecture, where the average phase shift is $\ll 2\pi$. We derive a universal information-theoretic limit to the phase-shift efficiency of universal multiport interferometers, and propose a "3-MZI" architecture that approaches this limit to within a factor of $2\times$, approximately a $10\times$ reduction in average phase shift over the prior art, where the average phase shift scales inversely with system size as $O(1/\sqrt{N})$. For non-unitary circuits, we show that the 3-MZI saturates the theoretical bound for Gaussian-distributed target matrices. Using this architecture, we show optical neural network training with all phase shifters constrained to $\lesssim 0.2$ radians without loss of accuracy.

NeuralCRN：化学反应网络中学习的自然实现

分类： 机器学习, 新兴技术

作者： Rajiv Teja Nagipogu, John H. Reif

发布时间： 2024-08-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00034v1

摘要： 单细胞生物感知环境动态变化并做出反应的非凡能力证明了其内部生化回路的适应能力。合成生物学的目标之一是开发此类系统的生化类似物，以自主监测和控制生化过程。此类系统可能在分子诊断、智能治疗和体内纳米医学等领域具有重要的应用。到目前为止，创建此类系统的尝试一直集中在功能上复制传统前馈网络在抽象和基于 DNA 的合成化学中的行为。然而，数字和化学计算模式之间固有的不兼容性在这些实现中引入了一些非理想性，使得在实践中实现它们变得具有挑战性。在这项工作中，我们提出了 NeuralCRN，这是一种新颖的监督学习框架，构建为确定性化学反应网络（CRN）的集合。与之前的工作不同，NeuralCRNs 框架建立在基于动态系统的学习实现之上，因此可以产生化学兼容的计算。首先，我们展示了用于线性分类的监督学习分类器的构建和训练。然后我们扩展这个框架以支持非线性分类。然后，我们首先在具有复杂类分离边界的几个二元和多类分类数据集上进行训练和评估，以证明我们的构造的有效性。最后，我们详细介绍了有关 NeuralCRNs 框架的几个考虑因素，并详细阐述了我们的方法与现有工作相比的优缺点。

Parameter Setting Heuristics Make the Quantum Approximate Optimization Algorithm Suitable for the Early Fault-Tolerant Era

分类： 量子物理学, 新兴技术

作者： Zichang He, Ruslan Shaydulin, Dylan Herman, Changhao Li, Rudy Raymond, Shree Hari Sureshbabu, Marco Pistoia

发布时间： 2024-08-18

链接： http://arxiv.org/abs/2408.09538v1

摘要： Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) is one of the most promising quantum heuristics for combinatorial optimization. While QAOA has been shown to perform well on small-scale instances and to provide an asymptotic speedup over state-of-the-art classical algorithms for some problems, fault-tolerance is understood to be required to realize this speedup in practice. The low resource requirements of QAOA make it particularly suitable to benchmark on early fault-tolerant quantum computing (EFTQC) hardware. However, the performance of QAOA depends crucially on the choice of the free parameters in the circuit. The task of setting these parameters is complicated in the EFTQC era by the large overheads, which preclude extensive classical optimization. In this paper, we summarize recent advances in parameter setting in QAOA and show that these advancements make EFTQC experiments with QAOA practically viable.

In-Memory Learning Automata Architecture using Y-Flash Cell

分类： 硬件架构, 人工智能, 新兴技术, 机器学习

作者： Omar Ghazal, Tian Lan, Shalman Ojukwu, Komal Krishnamurthy, Alex Yakovlev, Rishad Shafik

发布时间： 2024-08-18

链接： http://arxiv.org/abs/2408.09456v1

摘要： The modern implementation of machine learning architectures faces significant challenges due to frequent data transfer between memory and processing units. In-memory computing, primarily through memristor-based analog computing, offers a promising solution to overcome this von Neumann bottleneck. In this technology, data processing and storage are located inside the memory. Here, we introduce a novel approach that utilizes floating-gate Y-Flash memristive devices manufactured with a standard 180 nm CMOS process. These devices offer attractive features, including analog tunability and moderate device-to-device variation; such characteristics are essential for reliable decision-making in ML applications. This paper uses a new machine learning algorithm, the Tsetlin Machine (TM), for in-memory processing architecture. The TM's learning element, Automaton, is mapped into a single Y-Flash cell, where the Automaton's range is transferred into the Y-Flash's conductance scope. Through comprehensive simulations, the proposed hardware implementation of the learning automata, particularly for Tsetlin machines, has demonstrated enhanced scalability and on-edge learning capabilities.

Potential Enabling Technologies for 7G Networks: Survey

分类： 新兴技术, 量子物理学

作者： Savo Glisic

发布时间： 2024-08-18

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11072v1

摘要： Every new generation of mobile networks brings significant advances in two segments, enhancement of the network parameters within the legacy technologies and introduction of new technologies enabling new paradigms in designing the networks. In the first class of enhancements the effort is to increase data rates, improve energy efficiency, enhance connectivity, reduce data transmission latency etc. In the second class of innovations for 6G and 7G, we anticipate focus on optimum integration of advanced ML and AI in general, and quantum computing with the continuous interest in the satellite networks for optimal quantum key distribution . By introducing quantum technology 7G will be able to speed up computing processes in the net, enhance network security as well as to enable distributed QC, which is a new paradigm in computer sciences. Using advanced networks as a basic ingredient of inter system integration, here we focus only on the second segment of anticipated innovations in networking and present a survey of the subset of potential technology enablers for the above concept with special emphasis on the inter dependency of the solutions chosen in different segments of the network. In Section II, we present several anticipated 6G/7G (system of systems type) network optimization examples resulting in a new paradigm of network optimization indicating a need for quantum computing and quantum computing based optimization algorithms. In Section III we survey work on quantum cryptography and QKD.

VRCopilot: Authoring 3D Layouts with Generative AI Models in VR

分类： 人机交互, 人工智能, 新兴技术

作者： Lei Zhang, Jin Pan, Jacob Gettig, Steve Oney, Anhong Guo

发布时间： 2024-08-18

链接： http://arxiv.org/abs/2408.09382v1

摘要： Immersive authoring provides an intuitive medium for users to create 3D scenes via direct manipulation in Virtual Reality (VR). Recent advances in generative AI have enabled the automatic creation of realistic 3D layouts. However, it is unclear how capabilities of generative AI can be used in immersive authoring to support fluid interactions, user agency, and creativity. We introduce VRCopilot, a mixed-initiative system that integrates pre-trained generative AI models into immersive authoring to facilitate human-AI co-creation in VR. VRCopilot presents multimodal interactions to support rapid prototyping and iterations with AI, and intermediate representations such as wireframes to augment user controllability over the created content. Through a series of user studies, we evaluated the potential and challenges in manual, scaffolded, and automatic creation in immersive authoring. We found that scaffolded creation using wireframes enhanced the user agency compared to automatic creation. We also found that manual creation via multimodal specification offers the highest sense of creativity and agency.

Establishment of a Blockchain-based Architecture for Fake News Detection

分类： 软件工程, 新兴技术

作者： Valdemar Vicente Graciano-Neto, Jacson Rodrigues Barbosa, Eliomar Araújo de Lima, Luiza Cintra, Rafael Medrado, Samuel Venzi, Mohamad Kassab

发布时间： 2024-08-17

链接： http://arxiv.org/abs/2408.09264v1

摘要： Fake News are a contemporary phenomenon with potential devastating effects. For inquiry and auditability purposes, it is essential that the news, once classified as false, can be persisted in an immutable means so that interested parties can query it. Although Blockchain clearly satisfies the main requirements for Fake News Management Software Systems, the prescriptive architectural solutions for that domain that cohabit Blockchain with other technologies in a single proposal still need to be made available. This paper's main contribution is presenting a prescriptive architectural solution for blockchain-based fake news management software systems. The Hoffmeister process for software architecture design is systematically followed to culminate in a software solution for that domain. The implementation of two candidate architectures and a brief simulation-based evaluation show the feasibility of the solution to satisfy the functional and quality requirements.

The Chemputer and Chemputation: A Universal Chemical Compound Synthesis Machine

分类： 新兴技术, 化学物理

作者： Leroy Cronin

发布时间： 2024-08-17

链接： http://arxiv.org/abs/2408.09171v1

摘要： This work establishes a rigorous proof for the universality of the chemputer as a chemical synthesis machine, capable of constructing any stable and isolable molecule through a finite, expressible process. This process is governed by three key parameters: reagents, process conditions, and catalysts. Additionally, the study introduces dynamic error correction mechanisms integrated into each step of the synthesis pathway, ensuring real-time accuracy and reliability. The role of universally configurable hardware is also highlighted, with the introduction of a 'chempiling' function that translates synthesis pathways into executable hardware configurations. These advancements collectively demonstrate the chemputer's capability to perform any feasible chemical synthesis, thereby establishing it as a universal tool in chemical manufacturing and synthesis. I show that every finitely realizable chemical synthesis process that can exist within the bounds of physical laws can be perfectly instantiated and executed by a universal chemputer, provided that the process can be completed within the finite number of reagent input vessels, reaction vessels, and product output vessels available, and that the error correction mechanisms are sufficiently robust to maintain the accuracy of the synthesis within these constraints. Finally, I show that chemical reactions are not implicit functions, but are an emergent property coming from the combination of the reagents, process conditions, and catalysts.

Phase-Based Approaches for Rapid Construction of Magnetic Fields in NV Magnetometry

分类： 仪器仪表和探测器, 新兴技术, 量子物理学

作者： Prabhat Anand, Ankit Khandelwal, Achanna Anil Kumar, M Girish Chandra, Pavan K Reddy, Anuj Bathla, Dasika Shishir, Kasturi Saha

发布时间： 2024-08-17

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11069v2

摘要： With the second quantum revolution underway, quantum-enhanced sensors are moving from laboratory demonstrations to field deployments, providing enhanced and even new capabilities. Signal processing and operational software is becoming integral parts of these emerging sensing systems to reap the benefits of this progress. This paper looks into widefield Nitrogen Vacancy Center-based magnetometry and focuses on estimating the magnetic field from the Optically Detected Magnetic Resonances (ODMR) signal, a crucial output for various applications. Mapping the shifts of ODMR signals to phase estimation, a computationally efficient approaches are proposed. Involving Fourier Transform and Filtering as pre-processing steps, the suggested approaches involve linear curve fit or complex frequency estimation based on well-known super-resolution technique Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariant Techniques (ESPRIT). The existing methods in the quantum sensing literature take different routes based on Lorentzian fitting for determining magnetic field maps. To showcase the functionality and effectiveness of the suggested techniques, relevant results, based on experimental data are provided, which shows a significant reduction in computational time with the proposed method over existing methods

Brain Inspired Probabilistic Occupancy Grid Mapping with Hyperdimensional Computing

分类： 机器人技术, 新兴技术

作者： Shay Snyder, Andrew Capodieci, David Gorsich, Maryam Parsa

发布时间： 2024-08-17

链接： http://arxiv.org/abs/2408.09066v1

摘要： Real-time robotic systems require advanced perception, computation, and action capability. However, the main bottleneck in current autonomous systems is the trade-off between computational capability, energy efficiency and model determinism. World modeling, a key objective of many robotic systems, commonly uses occupancy grid mapping (OGM) as the first step towards building an end-to-end robotic system with perception, planning, autonomous maneuvering, and decision making capabilities. OGM divides the environment into discrete cells and assigns probability values to attributes such as occupancy and traversability. Existing methods fall into two categories: traditional methods and neural methods. Traditional methods rely on dense statistical calculations, while neural methods employ deep learning for probabilistic information processing. Recent works formulate a deterministic theory of neural computation at the intersection of cognitive science and vector symbolic architectures. In this study, we propose a Fourier-based hyperdimensional OGM system, VSA-OGM, combined with a novel application of Shannon entropy that retains the interpretability and stability of traditional methods along with the improved computational efficiency of neural methods. Our approach, validated across multiple datasets, achieves similar accuracy to covariant traditional methods while approximately reducing latency by 200x and memory by 1000x. Compared to invariant traditional methods, we see similar accuracy values while reducing latency by 3.7x. Moreover, we achieve 1.5x latency reductions compared to neural methods while eliminating the need for domain-specific model training.

Quantum Annealing for Enhanced Feature Selection in Single-Cell RNA Sequencing Data Analysis

分类： 基因组学, 新兴技术, 生物物理学

作者： Selim Romero, Shreyan Gupta, Victoria Gatlin, Robert S. Chapkin, James J. Cai

发布时间： 2024-08-16

链接： http://arxiv.org/abs/2408.08867v1

摘要： Feature selection is vital for identifying relevant variables in classification and regression models, especially in single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) data analysis. Traditional methods like LASSO often struggle with the nonlinearities and multicollinearities in scRNA-seq data due to complex gene expression and extensive gene interactions. Quantum annealing, a form of quantum computing, offers a promising solution. In this study, we apply quantum annealing-empowered quadratic unconstrained binary optimization (QUBO) for feature selection in scRNA-seq data. Using data from a human cell differentiation system, we show that QUBO identifies genes with nonlinear expression patterns related to differentiation time, many of which play roles in the differentiation process. In contrast, LASSO tends to select genes with more linear expression changes. Our findings suggest that the QUBO method, powered by quantum annealing, can reveal complex gene expression patterns that traditional methods might overlook, enhancing scRNA-seq data analysis and interpretation.

Quantum Circuit Optimization: Current trends and future direction

分类： 量子物理学, 新兴技术

作者： Geetha Karuppasamy, Varun Puram, Stevens Johnson, Johnson P Thomas

发布时间： 2024-08-16

链接： http://arxiv.org/abs/2408.08941v1

摘要： Optimization of quantum circuits for a given problem is very important in order to achieve faster calculations as well as reduce errors due to noise. Optimization has to be achieved while ensuring correctness at all times. In this survey paper, recent advancements in quantum circuit optimization are explored. Both hardware independent as well as hardware dependent optimization are presented. State-of-the-art methods for optimizing quantum circuits, including analytical algorithms, heuristic algorithms, machine learning-based algorithms, and hybrid quantum-classical algorithms are discussed. Additionally, the advantages and disadvantages of each method and the challenges associated with them are highlighted. Moreover, the potential research opportunities in this field are also discussed.

Quantifying the Effectiveness of Student Organization Activities using Natural Language Processing

分类： 计算和语言, 人工智能, 新兴技术

作者： Lyberius Ennio F. Taruc, Arvin R. De La Cruz

发布时间： 2024-08-16

链接： http://arxiv.org/abs/2408.08694v1

摘要： Student extracurricular activities play an important role in enriching the students' educational experiences. With the increasing popularity of Machine Learning and Natural Language Processing, it becomes a logical step that incorporating ML-NLP in improving extracurricular activities is a potential focus of study in Artificial Intelligence (AI). This research study aims to develop a machine learning workflow that will quantify the effectiveness of student-organized activities based on student emotional responses using sentiment analysis. The study uses the Bidirectional Encoder Representations from Transformers (BERT) Large Language Model (LLM) called via the pysentimiento toolkit, as a Transformer pipeline in Hugging Face. A sample data set from Organization C, a Recognized Student Organization (RSO) of a higher educational institute in the Philippines, College X, was used to develop the workflow. The workflow consisted of data preprocessing, key feature selection, LLM feature processing, and score aggregation, resulting in an Event Score for each data set. The results show that the BERT LLM can also be used effectively in analyzing sentiment beyond product reviews and post comments. For the student affairs offices of educational institutions, this study can provide a practical example of how NLP can be applied to real-world scenarios, showcasing the potential impact of data-driven decision making.

Photonic KAN: a Kolmogorov-Arnold network inspired efficient photonic neuromorphic architecture

分类： 光学, 新兴技术

作者： Yiwei Peng, Sean Hooten, Xinling Yu, Thomas Van Vaerenbergh, Yuan Yuan, Xian Xiao, Bassem Tossoun, Stanley Cheung, Marco Fiorentino, Raymond Beausoleil

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.08407v1

摘要： Kolmogorov-Arnold Networks (KAN) models were recently proposed and claimed to provide improved parameter scaling and interpretability compared to conventional multilayer perceptron (MLP) models. Inspired by the KAN architecture, we propose the Photonic KAN -- an integrated all-optical neuromorphic platform leveraging highly parametric optical nonlinear transfer functions along KAN edges. In this work, we implement such nonlinearities in the form of cascaded ring-assisted Mach-Zehnder Interferometer (MZI) devices. This innovative design has the potential to address key limitations of current photonic neural networks. In our test cases, the Photonic KAN showcases enhanced parameter scaling and interpretability compared to existing photonic neural networks. The photonic KAN achieves approximately 65$\times$ reduction in energy consumption and area, alongside a 50$\times$ reduction in latency compared to previous MZI-based photonic accelerators with similar performance for function fitting task. This breakthrough presents a promising new avenue for expanding the scalability and efficiency of neuromorphic hardware platforms.

Quantum Buffer Design Using Petri Nets

分类： 新兴技术, 量子物理学

作者： Syed Asad Shah, A. Yavuz Oruç

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.08369v1

摘要： This paper introduces a simplified quantum Petri net (QPN) model and uses this model to generalize classical SISO, SIMO, MISO, MIMO and priority buffers to their quantum counterparts. It provides a primitive storage element, namely a quantum S-R flip-flop design using quantum CNOT and SWAP gates that can be replicated to obtain a quantum register for any given number of qubits. The aforementioned quantum buffers are then obtained using the simplified QPN model and quantum registers. $!!$The quantum S-R flip-flop and quantum buffer designs have been tested using OpenQASM and Qiskit on IBM quantum computers and simulators and the results validate the presented quantum S-R flip-flop and buffer designs.

使用 3 量子位系统增强量子能量隐形传态

分类： 量子物理学, 新兴技术

作者： Md Shoyib Hassan, Syed Emad Uddin Shubha, M. R. C Mahdy

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07997v1

摘要： 量子能量隐形传输（QET）是一种利用量子纠缠在两个遥远位置之间传输能量的新颖方法，而无需能量的任何物理移动。首次在超导硬件上实现 QET，利用 2 量子位系统，接收器 Bob 的平均能量检索效率为 11.4%。在本文中，我们提出了一种使用 3 量子位系统来提高 QET 能源效率的新方法。我们采用了一种新颖的 3 量子位基态哈密顿 H 来实现这一目标，它符合零平均能量的约束。我们的实验结果表明能量回收有了显着的改善，平均效率达到了 46.4%，明显高于 2 量子位系统。这一进展不仅标志着量子能实际应用向前迈进了一步，而且为量子能隐形传态和相关量子技术的未来研究提供了新的框架。

The AI Risk Repository: A Comprehensive Meta-Review, Database, and Taxonomy of Risks From Artificial Intelligence

分类： 人工智能, 密码学和安全, 新兴技术, 机器学习, 系统与控制, 系统与控制, I.2.0; K.4.1; K.4.1; K.4.2; K.4.3; K.6.0

作者： Peter Slattery, Alexander K. Saeri, Emily A. C. Grundy, Jess Graham, Michael Noetel, Risto Uuk, James Dao, Soroush Pour, Stephen Casper, Neil Thompson

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12622v1

摘要： The risks posed by Artificial Intelligence (AI) are of considerable concern to academics, auditors, policymakers, AI companies, and the public. However, a lack of shared understanding of AI risks can impede our ability to comprehensively discuss, research, and react to them. This paper addresses this gap by creating an AI Risk Repository to serve as a common frame of reference. This comprises a living database of 777 risks extracted from 43 taxonomies, which can be filtered based on two overarching taxonomies and easily accessed, modified, and updated via our website and online spreadsheets. We construct our Repository with a systematic review of taxonomies and other structured classifications of AI risk followed by an expert consultation. We develop our taxonomies of AI risk using a best-fit framework synthesis. Our high-level Causal Taxonomy of AI Risks classifies each risk by its causal factors (1) Entity: Human, AI; (2) Intentionality: Intentional, Unintentional; and (3) Timing: Pre-deployment; Post-deployment. Our mid-level Domain Taxonomy of AI Risks classifies risks into seven AI risk domains: (1) Discrimination & toxicity, (2) Privacy & security, (3) Misinformation, (4) Malicious actors & misuse, (5) Human-computer interaction, (6) Socioeconomic & environmental, and (7) AI system safety, failures, & limitations. These are further divided into 23 subdomains. The AI Risk Repository is, to our knowledge, the first attempt to rigorously curate, analyze, and extract AI risk frameworks into a publicly accessible, comprehensive, extensible, and categorized risk database. This creates a foundation for a more coordinated, coherent, and complete approach to defining, auditing, and managing the risks posed by AI systems.

具有片上神经元数据处理和存储功能的具体生物计算时序电路

分类： 新兴技术, 神经元和认知

作者： Giulio Basso, Reinhold Scherer, Michael Taynnan Barros

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07628v1

摘要： 随着传统的硅基计算接近其物理和效率极限，生物计算成为一种有前途的替代方案。这种方法利用 DNA 和神经元等生物材料作为数据处理和存储的有趣替代方案。这项研究探讨了神经元生物计算与硅基系统竞争的潜力。我们探索模仿传统计算机架构的神经元逻辑门和时序电路。通过数学建模、优化和计算机模拟，我们展示了神经元时序电路的操作能力。这些电路包括神经元 NAND 门、SR 锁存触发器和 D 触发器存储单元。我们的方法涉及操纵神经元通信、突触电导、尖峰缓冲器、神经元类型和特定的神经元网络拓扑设计。这些实验证明了使用神经元活动模式编码二进制信息以及克服神经元缓冲区和抑制策略同步困难的实用性。我们的结果证实了神经元逻辑电路的有效性和可扩展性，表明它们即使在复杂的数据存储配置中也能保持稳定的代谢负担。我们的研究不仅展示了通过操纵神经元特性进行数字信号处理的体现生物计算的概念，而且还为尖端生物计算技术奠定了基础。我们的设计为使用神经元作为节能计算解决方案开辟了可能性。这些解决方案有可能成为硅基系统的替代品，提供碳中性、生物学上可行的替代方案。

计算包内无线网络的时间反转MAC协议

分类： 新兴技术, 网络和互联网架构, C.1.2; C.2.2; B.4.3

作者： Ama Bandara, Abhijit Das, Fátima Rodríguez-Galán, Eduard Alarcón, Sergi Abadal

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07421v1

摘要： 无线片上网络 (WNoC) 是一个很有前途的概念，它提供了一种解决方案来克服多核处理器流行的封装网络中的可扩展性问题。然而，芯片封装内部的电磁传播会导致能量混响，从而导致具有高延迟扩展的符号间干扰（ISI）。时间反转 (TR) 是一种技术，它有利于独特的时不变通道和丰富的多径效应，将能量集中到所需的收发器。 TR 可减轻 ISI 和同信道干扰，从而提供空间和时间上的并行通信。因此，TR 是提高无线片上网络聚合带宽的通用候选方案，前提是使用介质访问控制 (MAC) 来有效地共享无线介质。在本文中，我们为 WNoC 探索了一种简单但具有弹性的基于 TR 的 MAC 协议 (TR-MAC) 设计。我们建议通过收发器上的 TR 预编码和集中能量检测来管理同一时隙中同时空间信道的多个并行传输。我们的结果表明，TR-MAC 可以用于大规模计算架构，具有改进的延迟和吞吐量，同时满足物理层的严格要求。

IBM Quantum Engine 编译器的设计和架构

分类： 量子物理学, 新兴技术

作者： Michael B. Healy, Reza Jokar, Soolu Thomas, Vincent R. Pascuzzi, Kit Barton, Thomas A. Alexander, Roy Elkabetz, Brian C. Donovan, Hiroshi Horii, Marius Hillenbrand

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06469v1

摘要： 在这项工作中，我们描述了目前在 IBM Quantum 系统生产中使用的开源量子引擎编译器（qe-compiler）的设计和架构。 qe 编译器使用 LLVM 的多级中间表示 (MLIR) 框架构建，并包含多种方言的定义，以表示多个抽象级别的参数化量子计算。该编译器还提供 Python 绑定和诊断系统。使用 Bison 和 Flex 构建的开源 LALR 词法分析器和解析器生成一个抽象语法树，该树被转换为高级 MLIR 方言。包括一个可扩展的分层目标系统，用于在编译时对控制系统的异构性质进行建模。使用管道接口添加基于目标和通用的编译过程，将输入转换为低级中间表示（包括 LLVM IR），并可以利用 LLVM 后端和工具来生成机器可执行二进制文件。 qe 编译器具有可扩展、可维护、高性能和可扩展的特点，以支持量子计算的未来。

去中心化健康情报网络（DHIN）

分类： 密码学和安全, 人工智能, 计算机与社会, 分布式、并行和集群计算, 新兴技术

作者： Abraham Nash

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06240v3

摘要： 去中心化健康智能网络 (DHIN) 是一个理论框架，旨在解决因供应商和机构之间的数据碎片化而导致的健康数据主权和人工智能在医疗保健领域的利用面临的重大挑战。它建立了一个用于医疗保健服务的主权架构，作为主权健康网络的先决条件，然后通过克服访问不同医疗数据源的障碍来促进人工智能的有效利用。这个综合框架利用：1）自我主权身份架构与个人健康记录（PHR）相结合，作为健康数据主权的先决条件； 2）在公共区块链上实施的可扩展联邦学习（FL）协议，用于医疗保健领域的去中心化人工智能培训，其中健康数据保留在参与者手中，并且仅共享模型参数更新； 3）可扩展、无需信任的奖励机制，以激励参与并确保公平的奖励分配。该框架确保任何实体都无法阻止或控制对参与者提供的健康数据培训的访问或确定经济利益，因为这些流程在具有不可变记录且没有第三方的公共区块链上运行。它支持医疗保健领域的有效人工智能培训，使患者能够保持对其健康数据的控制，获得经济利益，并为一个分散的、可扩展的生态系统做出贡献，该生态系统利用集体人工智能来开发有益的医疗保健算法。患者的数字钱包中会收到奖励，作为选择加入 FL 协议的激励，并制定了为去中心化保险解决方案提供资金的长期路线图。这种方法引入了一种新颖的自筹资金的医疗保健模式，可以适应个人需求，补充现有系统，并重新定义全民覆盖。它凸显了改变医疗数据管理和人工智能利用的潜力，同时为患者提供帮助。

控制流证明：概念、解决方案和开放挑战

分类： 密码学和安全, 硬件架构, 新兴技术

作者： Zhanyu Sha, Carlton Shepherd, Amir Rafi, Konstantinos Markantonakis

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06304v1

摘要： 控制流证明 (CFA) 通过测量并向验证者报告目标的运行时行为，将控制流完整性和平台证明统一起来。通过测试目标的执行是否遵循授权的控制流路径来提供目标的信任保证。这个问题已经在各种环境中进行了探讨，例如评估网络物理系统、物联网设备、云平台等的可信度。尽管近年来提出了大量提案，但该领域仍然分散，需要解决不同的对抗行为、验证范式和部署挑战。在本文中，我们首次对控制流证明进行了调查，研究了最先进方案的核心思想和解决方案。总的来说，我们调查了 2016 年至 2024 年期间发表的 30 多篇论文，巩固和比较了它们的主要特征，并为该领域的未来研究提出了一些挑战和建议。

去中心化智能健康网络（DIHN）

分类： 密码学和安全, 人工智能, 计算机与社会, 分布式、并行和集群计算, 新兴技术

作者： Abraham Nash

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06240v2

摘要： 去中心化健康智能网络 (DHIN) 是一个理论框架，旨在解决因供应商和机构之间的数据碎片化而导致的健康数据主权和人工智能在医疗保健领域的利用面临的重大挑战。它建立了一个用于医疗保健服务的主权架构，作为主权健康网络的先决条件，然后通过克服访问不同医疗数据源的障碍来促进人工智能的有效利用。这个综合框架利用：1）自我主权身份架构与个人健康记录（PHR）相结合，作为健康数据主权的先决条件； 2）在公共区块链上实施的可扩展联邦学习（FL）协议，用于医疗保健领域的去中心化人工智能培训，其中健康数据保留在参与者手中，并且仅共享模型参数更新； 3）可扩展、无需信任的奖励机制，以激励参与并确保公平的奖励分配。该框架确保任何实体都无法阻止或控制对参与者提供的健康数据培训的访问或确定经济利益，因为这些流程在具有不可变记录且没有第三方的公共区块链上运行。它支持医疗保健领域的有效人工智能培训，使患者能够保持对其健康数据的控制，获得经济利益，并为一个分散的、可扩展的生态系统做出贡献，该生态系统利用集体人工智能来开发有益的医疗保健算法。患者的数字钱包中会收到奖励，作为选择加入 FL 协议的激励，并制定了为去中心化保险解决方案提供资金的长期路线图。这种方法引入了一种新颖的自筹资金的医疗保健模式，可以适应个人需求，补充现有系统，并重新定义全民覆盖。它凸显了改变医疗数据管理和人工智能利用的潜力，同时为患者提供帮助。

用于内存计算的近似 ADC

分类： 新兴技术, 硬件架构, 机器学习, 神经和进化计算

作者： Arkapravo Ghosh, Hemkar Reddy Sadana, Mukut Debnath, Panthadip Maji, Shubham Negi, Sumeet Gupta, Mrigank Sharad, Kaushik Roy

发布时间： 2024-08-11

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06390v1

摘要： 在深度学习 (DL) 加速器的内存计算 (IMC) 架构中，利用直接在内存阵列中实现的节能且高度并行的矩阵向量乘法 (MVM) 运算。此类 IMC 设计已基于 CMOS 以及 RRAM 等新兴非易失性存储器 (NVM) 技术进行了探索。 IMC架构通常涉及大量由存储器阵列组成的核心，存储DL模型的训练权重。 DAC 和 ADC 等外围单元也用于应用输入和读出输出值。最近报告的设计表明，读出 MVM 结果所需的 ADC 消耗了总计算能力的 85% 以上，并且还占据了该区域的主导地位，从而回避了 IMC 方案的优势。由于专用的校准单元，减少 ADC 中的缺陷（即非线性和变化）会产生大量的设计开销。在这项工作中，我们提出了 IMC 内核的外设感知设计，以减轻此类开销。它涉及将 ADC 的非理想性与存储单元的训练一起纳入 DL 模型的训练中。所提出的方法同样适用于近年来展示的电流模式和充电模式 MVM 操作，并且可以显着简化混合信号 IMC 单元的设计。

突触交叉阵列存储技术的比较评估 - 第 2 部分：设计旋钮和 DNN 准确性趋势

分类： 新兴技术, 机器学习

作者： Jeffry Victor, Chunguang Wang, Sumeet K. Gupta

发布时间： 2024-08-11

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05857v1

摘要： Crossbar 内存阵列被誉为基于内存计算 (IMC) 的深度神经网络 (DNN) 加速的主力，但相关硬件的非理想性限制了其功效。为了解决这个问题，需要跨层设计解决方案来减少硬件非理想性对 DNN 精度的影响。在本文的第 1 部分中，我们建立了各种存储器技术及其交叉阵列的协同优化策略，并在 IMC 鲁棒性的背景下进行了比较技术评估。在这一部分中，我们分析了各种设计参数，例如阵列大小和位片（每个器件的位数）及其对 8T SRAM、铁电晶体管 (FeFET)、电阻 RAM (ReRAM) 和自旋轨道性能的影响扭矩磁 RAM (SOT-MRAM) 在 7nm 技术节点的推理精度方面。此外，我们研究了部分字线激活 (PWA) 和定制 ADC 参考电平等电路设计解决方案的效果，这些解决方案可减少硬件非理想性，并比较分析每种技术对此类精度增强技术的响应。我们在 ResNet-20（使用 CIFAR-10）上的结果表明，PWA 将精度提高了高达 32.56%，而自定义 ADC 参考电平的精度提高了高达 31.62%。我们观察到，与其他技术相比，FeFET 凭借其较小的布局高度和较高的存储状态区分度，最适合大型阵列。对于更高的位片和更复杂的数据集（ResNet-50 和 Cifar-100），我们发现 ReRAM 与 FeFET 的性能相匹配。

ICGMM：使用高斯混合模型的支持 CXL 的内存扩展和智能缓存

分类： 硬件架构, 新兴技术, 系统与控制, 系统与控制

作者： Hanqiu Chen, Yitu Wang, Luis Vitorio Cargnini, Mohammadreza Soltaniyeh, Dongyang Li, Gongjin Sun, Pradeep Subedi, Andrew Chang, Yiran Chen, Cong Hao

发布时间： 2024-08-10

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05614v1

摘要： Compute Express Link (CXL) 作为解决主机和多个设备之间计算速度和数据通信速率之间巨大差距的解决方案而出现。它在主机和 CXL 存储设备（例如用于内存扩展的固态驱动器 (SSD)）之间建立统一且一致的内存空间，并使用相应的 DRAM 作为设备缓存。然而，这带来了一些挑战，例如大量的缓存未命中损失、由于 DRAM“缓存”和 SSD“内存”之间的数据访问粒度不匹配而导致的次优缓存以及低效的硬件缓存管理。为了解决这些问题，我们提出了一种名为 ICGMM 的新颖解决方案，它采用基于高斯混合模型 (GMM) 的方法，直接在硬件上优化缓存和逐出。我们在 FPGA 板上对我们的解决方案进行了原型设计，与经典的最近最少使用 (LRU) 缓存策略相比，这展示了显着的改进。我们观察到缓存未命中率下降了 0.32% 至 6.14%，从而使 SSD 平均访问延迟大幅降低了 16.23% 至 39.14%。此外，与最先进的基于长短期记忆 (LSTM) 的缓存策略相比，我们在 FPGA 上的 GMM 算法展示了令人印象深刻的延迟减少超过 10,000 倍。值得注意的是，这是在需要更少的硬件资源的情况下实现的。

重新想象的艺术品：通过身体提示探索人类与人工智能的共同创造

分类： 人机交互, 人工智能, 新兴技术, H.5.m

作者： Jonas Oppenlaender, Hannah Johnston, Johanna Silvennoinen, Helena Barranha

发布时间： 2024-08-10

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05476v1

摘要： 使用生成人工智能生成图像是一项流行的活动。然而，它几乎完全是在个人家中通过键盘打字进行的。在本文中，我们探索身体提示作为图像生成的输入。身体提示将与生成式人工智能的交互扩展到文本输入之外，将图像生成的创造性行为与创作艺术品的身体行为重新连接起来。我们在互动艺术装置“Artworks Reimagined”中实现了这一概念，旨在通过身体提示来改变艺术品。我们在一次有数百名参观者的公共和私人活动中部署了该装置。我们对访客样本（N=79）的结果表明，身体提示很受欢迎，并且提供了引人入胜且有趣的体验。我们确定了与生成人工智能的具体交互的三种不同模式，并提出了对参与者的身体提示和人工智能共同创造体验的见解。我们为寻求在博物馆、画廊和其他公共文化空间设计交互式生成人工智能体验的从业者提供宝贵的建议。

从文本到洞察：利用大型语言模型进行管理绩效评估

分类： 计算和语言, 人工智能, 新兴技术, 人机交互, 普通经济学, 经济学

作者： Ning Li, Huaikang Zhou, Mingze Xu

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05328v1

摘要： 本研究探讨了大型语言模型 (LLM)（特别是 GPT-4）在增强组织任务绩效评估客观性方面的潜力。通过对两项研究（包括各种任务绩效输出）的比较分析，我们证明大语言模型可以作为评估基于知识的绩效输出（这是知识工作者的关键贡献）的人类评估者的可靠甚至更好的替代方案。我们的结果表明，GPT 评分与人类评分相当，但表现出更高的一致性和可靠性。此外，对同一绩效输出的多个 GPT 评级的组合显示出与总体人类绩效评级的强相关性，类似于绩效评估文献中观察到的共识原则。然而，我们也发现大语言模型很容易出现情境偏差，例如光环效应，反映了人类的评价偏差。我们的研究表明，虽然大语言模型能够从基于文本的数据中提取有意义的结构，但其范围目前仅限于特定形式的绩效评估。通过强调大语言模型的潜力和局限性，我们的研究有助于探讨人工智能在管理研究中的作用，并为未来研究完善人工智能在管理中的理论和实际应用奠定了基础。

非受控学习：神经形态算法的神经形态硬件拓扑的协同设计

分类： 无序系统和神经网络, 统计力学, 硬件架构, 新兴技术

作者： Frank Barrows, Jonathan Lin, Francesco Caravelli, Dante R. Chialvo

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05183v1

摘要： 基于硬件的神经拟态计算仍然是一个难以捉摸的目标，有可能深刻影响未来的技术并加深我们对新兴智能的理解。从错误中学习算法是受大脑简单学习规则启发的少数训练算法之一，利用抑制和修剪来展示自组织学习。在这里，我们通过协同设计过程在纯神经形态忆阻硬件中实现了该算法。此实现需要评估硬件权衡和限制。事实证明，从错误中学习可以成功地训练小型网络作为二元分类器和感知器。然而，如果不根据算法调整硬件，性能就会随着网络规模的增加而呈指数下降。当在神经形态硬件上实现神经形态算法时，我们研究了深度、可控性和容量之间的权衡，后者是可学习模式的数量。我们强调拓扑的重要性和控制方程的使用，展示了有助于神经形态硬件和算法协同设计的理论工具。我们提供定量技术，根据执行的测量和底层电路结构来评估神经形态设备的计算能力。这种方法表明，打破神经网络的对称性可以提高可控性和平均网络容量。通过修剪电路，全忆阻器件电路中的神经拟态算法利用随机资源来驱动网络权重的局部对比度。我们结合实验和模拟工作，探索了使网络适合从简单规则中显示新兴智能的参数。

去中心化金融交易系统 FIDO2 兼容智能卡的概念设计与实现

分类： 密码学和安全, 新兴技术

作者： Anisha Ghosh, Aditya Mitra, Sibi Chakkaravarthy Sethuraman, Aswani Kumar Cherukuri

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04977v1

摘要： 随着金融科技行业安全性的挑战和限制，数据保护的需求不断增加。然而，当前在线银行系统中现有的无密码和基于密码的点对点交易很容易受到高级形式的数字攻击。现代数据保护方法的涌入可以更好地记录交易，但仍然没有解决交易过程中的身份验证和帐户接管问题。为了解决上述问题，本文提出了一种新颖且强大的点对点交易系统，该系统采用最佳云安全实践、正确使用密码学和可信计算来减轻常见漏洞。我们将实施 FIDO2 兼容智能卡，以使用物理智能卡安全地对用户进行身份验证，并将记录存储在云中，从而仅在请求访问时允许访问来实现访问控制。该标准在云计算模型上纳入了多层安全性，以确保上述数据的保密性。该标准的服务遵守政府规定，并确保收款人或最终用户的信息隐私。整个系统已经在物联网场景中实现。

AcousAF：基于声学传感的手机心房颤动检测系统

分类： 声音, 计算工程、金融和科学, 新兴技术, 机器学习, 音频和语音处理

作者： Xuanyu Liu, Haoxian Liu, Jiao Li, Zongqi Yang, Yi Huang, Jin Zhang

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04912v1

摘要： 心房颤动（AF）的特点是心房产生不规则的电脉冲，这可能导致严重的并发症甚至死亡。由于房颤的间歇性，早期及时监测房颤对于患者防止病情进一步恶化至关重要。尽管动态心电图动态心电监护仪可提供准确的监测，但这些设备的高成本阻碍了其更广泛的采用。当前基于移动的自动对焦检测系统提供了便携式解决方案。然而，这些系统存在各种适用性问题，例如容易受到环境因素的影响并且需要大量的用户努力。为了克服上述限制，我们提出了 AcousAF，一种基于智能手机声学传感器的新型自动对焦检测系统。特别是，我们探索了使用智能手机扬声器和麦克风从手腕采集脉搏波的潜力。此外，我们提出了一个精心设计的框架，包括脉搏波探测、脉搏波提取和 AF 检测，以确保准确可靠的 AF 检测。我们利用智能手机上的自定义数据收集应用程序收集 20 名参与者的数据。大量的实验结果证明了我们的系统的高性能，准确率达到 92.8%，精确度达到 86.9%，召回率达到 87.4%，F1 分数达到 87.1%。

多租户DNN协同PIM计算优化框架

分类： 新兴技术, 人工智能

作者： Bojing Li, Duo Zhong, Xiang Chen, Chenchen Liu

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04812v1

摘要： 现代人工智能 (AI) 应用越来越多地利用多租户深度神经网络 (DNN)，这导致计算复杂性和计算并行性的需求显着增加。基于ReRAM的内存处理（PIM）计算具有高密度和低功耗的特点，在支持多租户DNN的部署方面具有广阔的潜力。然而，在现有的基于 ReRAM 的 PIM 设计上直接部署复杂的多租户 DNN 会带来挑战。不同租户之间的资源争用可能导致片上计算资源的严重利用不足。此外，面积密集型算子和计算密集型算子需要过大的片上面积和较长的处理时间，导致并行计算时整体延迟较高。为了应对这些挑战，我们提出了一种新型的基于 ReRAM 的内存计算框架，该框架能够在基于 ReRAM 的 PIM 设计上高效部署多租户 DNN。我们的方法通过在租户级别迭代划分 PIM 硬件来解决资源争用问题。此外，我们在算子级别构建了细粒度的重构处理管道来处理区域密集型算子。与直接部署在传统的基于 ReRAM 的 PIM 设计相比，我们提出的 PIM 计算框架在速度（范围从 1.75 倍到 60.43 倍）和能耗（高达 1.89 倍）方面实现了显着改进。

大数据系统文献图谱

分类： 数字图书馆, 人工智能, 新兴技术, H.0

作者： Rogerio Rossi, Kechi Hirama, Eduardo Ferreira Franco

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05253v1

摘要： 大数据范式已成为医疗保健、科学、交通、教育、政府服务等许多领域的一个坚实的研究领域。尽管学术界和工业界提出了许多概念，但尽管进行了广泛讨论，但关于范式还没有达成一致的定义。这项工作旨在提供有关大数据范式进行和发表的研究的分析观点。所采用的方法是文献系统图谱，结合文献计量分析和内容分析来描绘研究作品的全景，识别模式、趋势和差距。结果表明，无论是在研究方面还是在概念方面，例如建立和定义适当的基础设施和标准，以应对未来的挑战以及使范式变得有效并带来预期的效益，还有很长的路要走。

顺序哈密顿组装：加强量子计算机上组合优化问题的训练

分类： 量子物理学, 新兴技术

作者： Navid Roshani, Jonas Stein, Maximilian Zorn, Michael Kölle, Philipp Altmann, Claudia Linnhoff-Popien

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04751v1

摘要： 量子机器学习的一个核心挑战是参数化量子电路（PQC）的设计和训练。与深度学习非常相似，梯度消失对 PQC 的可训练性造成了重大障碍，其来源多种多样。其中一个来源是非局部损失函数的存在，这需要测量所涉及的大量量子位子集。为了解决这个问题并促进使用全局损失函数的量子应用的参数训练，我们提出了顺序哈密顿组装（SHA）。 SHA 通过从本地组件组装损失来迭代近似损失。为了进一步证明我们方法的可行性，我们通过引入新的分区策略、QAOA 和 SHA 之间的新合并以及 SHA 对 Max-Cut 优化问题的评估来扩展我们之前的案例研究。仿真结果表明，在 Max-Cut 的平均精度方面，SHA 比传统参数训练高出 43.89%，比经验最先进的 Layer-VQE 高出 29.08%。这为局部感知学习技术铺平了道路，减轻了一大类实际相关问题的梯度消失。

用于组合优化和采样的噪声增强混沌机器

分类： 无序系统和神经网络, 分布式、并行和集群计算, 新兴技术

作者： Kyle Lee, Shuvro Chowdhury, Kerem Y. Camsari

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04744v1

摘要： 特定领域计算的兴起引起了人们对伊辛机的极大兴趣，伊辛机是专门为解决组合优化和概率采样问题而定制的专用硬件加速器。伊辛机的一个关键要素是随机性，它可以对配置进行广泛的探索，从而有助于避免局部最小值。在这里，我们评估和改进了先前提出的耦合混沌位（c位）的概念，该概念在没有任何显式随机性的情况下运行。我们证明，用随机性增强混沌位可以在组合优化问题中带来更好的算法缩放，这与更新规则中具有明确随机性的概率位（p 位）的性能相当。我们首先证明，尽管缺乏明确的随机性，但 c 比特在一维横向场伊辛模型中令人惊讶地遵循量子玻尔兹曼定律。然后我们表明，c 位在 2D Ising 和 3D 自旋玻璃模型中表现出与随机 p 位类似的临界动力学，具有解决具有挑战性的优化问题的巨大潜力。最后，我们通过强大的自适应并行回火算法（APT）提出了耦合 c 位的噪声增强版本。噪声增强 c 位算法的性能优于模拟退火算法的完全确定性 c 位运行版本。混沌伊辛机与基于耦合振荡器的伊辛机非常相似，因为两种方案都利用非线性动力学进行计算。基于振荡器的伊辛机可能会极大地受益于我们提出的算法，该算法在恒温下运行副本，从而无需全局调节耦合强度。将随机性与确定性 c 位混合创建了一个强大的混合计算方案，可以为可扩展、异步和大规模并行硬件实现带来好处。

用于高效密钥管理的量子密钥存储

分类： 密码学和安全, 新兴技术

作者： Emir Dervisevic, Amina Tankovic, Enio Kaljic, Miroslav Voznak, Miralem Mehic

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04598v1

摘要： 在围绕将 QKD 网络集成为关键基础设施服务的持续讨论中，密钥存储设计往往没有受到足够的重视。尽管如此，它仍具有至关重要的意义，因为它深刻影响了 QKD 网络服务的效率，从而决定了其对不同应用的适用性。在本文中，我们分析了通过实际测试台开发的密钥存储设计的有效性，并提出了一种新颖的密钥存储设计，以提高密钥创建和供应的有效性。所有密钥存储设计都使用网络仿真工具进行了分析，结果表明新颖的密钥存储设计在性能方面超越了现有方法。

导出子图博弈中减少贪婪的量子联盟结构生成

分类： 量子物理学, 新兴技术

作者： Jonas Nüßlein, Daniëlle Schuman, David Bucher, Naeimeh Mohseni, Kumar Ghosh, Corey O'Meara, Giorgio Cortiana, Claudia Linnhoff-Popien

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04366v1

摘要： 向 100% 可再生能源的过渡需要管理能源网络的新技术，例如将其划分为被称为微电网的合理产消者子集。以最优方式这样做是一个困难的优化问题，因为它可以抽象为诱导子图游戏中的联盟结构生成问题，这是一个 NP 完全问题，需要以最大化的方式将无向、完整、加权图划分为子图它们的内部权重之和。最近，Venkatesh 等人。 (arXiv:2212.11372) 发布了一种名为 GCS-Q 的基于量子退火 (QA) 的迭代算法，他们声称该算法是当前针对该问题的运行时复杂性最好的现有求解器。由于该算法使 QA 在问题上的应用看起来很有前景，但却是一种贪婪的算法，因此这项工作提出了几种基于不太贪婪的 QA 方法，并研究它们中的任何一种是否可以在解决方案质量方面优于 GCS-Q。虽然我们发现 D-Wave 硬件上的情况并非如此，但大多数在使用经典 QBSolv 软件作为求解器时都会出现这种情况。特别是我们称为 4 分割迭代 R-QUBO 的算法在这里显示出潜力，它可以在数据集中找到所有最优值，同时在运行时方面根据问题大小进行有利的扩展。因此，假设 QA 硬件随着时间的推移将变得更加抗噪，那么未来对解决该问题的量子方法的研究似乎很有趣。

通过结构信息融合的自监督对比图聚类网络

分类： 机器学习, 新兴技术

作者： Xiaoyang Ji, Yuchen Zhou, Haofu Yang, Shiyue Xu, Jiahao Li

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04339v1

摘要： 图聚类是图学习中的一个经典任务，涉及将图的节点划分为不同的簇。该任务可应用于各种现实场景，例如异常检测、社交网络分析和社区发现。当前的图聚类方法通常依赖于模块预训练来获得模型的可靠先验分布，然后将其用作优化目标。然而，这些方法经常忽略更深层次的监督信号，导致先验分布的可靠性次优。为了解决这个问题，我们提出了一种称为 CGCN 的新型深度图聚类方法。我们的方法将对比信号和深层结构信息引入预训练过程。具体来说，CGCN利用对比学习机制来促进多个模块之间的信息互操作性，并允许模型自适应地调整不同订单结构的信息聚合程度。我们的 CGCN 方法已经在多个现实世界图数据集上进行了实验验证，展示了其提高通过预训练获得的先前聚类分布的可靠性的能力。结果，我们观察到模型性能显着增强。

用于混合现实远程呈现的空间可供性感知的可交互子空间分配

分类： 新兴技术, 人机交互

作者： Dooyoung Kim, Seonji Kim, Selin Choi, Woontack Woo

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04297v1

摘要： 为了使远程虚拟现实（VR）和增强现实（AR）客户端能够在混合现实（MR）远程呈现期间像在同一空间中一样进行协作，必须克服空间异构性并通过集成远程来生成统一的共享协作环境空间到目标主机空间。尤其是当多个远程用户连接时，人们在协作时需要较大的共享空间来维护自己的个人空间，但现有的简单交叉方法会导致随着远程空间数量的增加而创建狭窄的共享空间。为了即使在远程空间数量增加时也能稳健地与主机空间对齐，我们提出了一种空间可供性感知的可交互子空间分配算法。我们方法的关键概念是分别考虑可感知和可交互区域，其中每个用户都会看到相同的共同空间，但考虑到他们的位置和空间可供性，每个远程用户都有不同的可交互子空间。我们对 900 个空间组合进行了评估，将远程空间的数量分为两个、四个和六个，结果表明，与其他空间匹配方法相比，我们的方法在确保广泛的可交互空间和实例化用户方面表现出色。我们的工作使来自不同远程位置的多个客户能够访问 AR 主机的空间，通过在连接的共同空间内对齐其物理子空间，使他们能够直接与桌子、墙壁或地板进行交互。

C-Nash：一种用于解决混合策略纳什均衡的新型铁电内存计算架构

分类： 新兴技术

作者： Yu Qian, Kai Ni, Thomas Kämpfe, Cheng Zhuo, Xunzhao Yin

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04169v1

摘要： 纳什均衡（NE）的概念在博弈论中至关重要，已经引起了众多行业的广泛关注。最近的进展引入了几种量子纳什求解器，旨在通过将松弛项集成到目标函数中来识别纯策略 NE 解决方案（即二元解决方案），通常称为松弛二次无约束二元优化（S-QUBO）。然而，将松弛项纳入二次优化会导致目标函数发生变化，从而可能导致解不正确。此外，这些量子求解器仅识别纯策略 NE 解的有限子集，而无法解决混合策略 NE（即十进制解），从而导致许多解未被发现。在这项工作中，我们提出了 C-Nash，一种新颖的铁电内存计算 (CiM) 架构，可以有效地处理纯策略 NE 解决方案和混合策略 NE 解决方案。所提出的架构包括（i）一种变换方法，将二次优化转换为 MAX-QUBO 形式，无需引入额外的松弛变量，从而避免目标函数的变化； (ii) 基于铁电 FET (FeFET) 的双交叉结构，用于存储支付矩阵并加速 QUBO 形式的核心向量-矩阵-向量 (VMV) 乘法； (iii) 实现 MAX 形式的赢家通吃 (WTA) 树和用于搜索 NE 解的基于两阶段的模拟退火 (SA) 逻辑。评估表明，与基于 D-Wave 的量子方法相比，C-Nash 识别 NE 解的成功率提高了 68.6%，找到了所有纯 NE 解和混合 NE 解，而不是仅部分纯 NE 解。此外，与 D-Wave 2000 Q6 和 D-Wave Advantage 4.1 相比，C-Nash 的解决时间分别缩短了 157.9 倍/79.0 倍。

为优化问题选择最佳量子求解器的预测方法

分类： 量子物理学, 新兴技术

作者： Deborah Volpe, Nils Quetschlich, Mariagrazia Graziano, Giovanna Turvani, Robert Wille

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03613v1

摘要： 利用量子计算机解决优化问题在各个应用领域都有希望。然而，利用各自的量子计算求解器需要根据二次无约束二元优化（QUBO）形式来描述优化问题，并通过合理的设置为感兴趣的应用选择合适的求解器。两者都需要对量子计算、QUBO 公式和量子求解器有很高的熟练程度，而作为领域专家而不是量子计算专家的最终用户通常无法承担这一背景。虽然工具有助于 QUBO 公式化，但仍然不支持选择最佳解决方法。这变得更具挑战性，因为为问题选择最佳求解器在很大程度上取决于问题本身。在这项工作中，我们接受这一挑战并提出了一种预测选择方法，可以帮助最终用户完成这项任务。为此，首先将求解器选择任务制定为适合监督机器学习解决的分类任务。在此基础上，我们提出根据问题规模和特征调整求解器参数的策略。实验评估考虑了 500 多个不同的 QUBO 问题，证实了所提出解决方案的优点。事实上，我们表明，在超过 70% 的情况下，会选择最佳求解器，而在大约 90% 的问题中，会选择前两个求解器，即最佳求解器或最接近的次优求解器。这一探索证明了机器学习在量子求解器选择方面的潜力，并为其自动化奠定了基础，为更广泛的用户拓宽了量子优化的途径。

具有多连接性的密集太赫兹网络中分子吸收感知的用户分配、频谱和功率分配

分类： 信息论, 新兴技术, 信号处理, 信息论

作者： Mohammad Amin Saeidi, Hina Tabassum, Mehrazin Alizadeh

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03451v1

摘要： 本文开发了一个统一的框架，通过优化用户关联、太赫兹传输窗口 (TW) 中子带的数量和带宽、带宽，最大化多用户、多基站下行太赫兹 (THz) 网络中的网络总速率。 TW 中的前缘带和后缘带、子带分配和功率分配。所提出的框架结合了多重连接性，并捕获了 TW 中分子吸收系数变化、光束斜视、分子吸收噪声和链路阻塞的影响。为了使问题易于处理，我们首先使用TW中的曲线拟合提出分子吸收系数的凸近似，确定前缘带和后缘带的可行带宽，然后导出子数量的闭式最优解。 -考虑光束斜视约束的频带。然后，我们将联合用户关联、子带分配和功率分配问题分解为两个子问题，即\textbf{(i)}联合用户关联和子带分配以及\textbf{(ii)}功率分配。为了解决前一个问题，我们分析证明了约束矩阵的单模性，这使我们能够在不损失最优性的情况下放松整数约束。为了解决功率分配子问题，提出了基于分数规划（FP）的集中式解决方案和基于乘法器交替方向法（ADMM）的轻量级分布式解决方案。然后使用交替优化来解决整个问题直到收敛。给出了算法的复杂性分析和数值收敛性。数值结果验证了所提出算法的有效性，并提取了有关基站（BS）密度、多连接平均阶数（AOM）、分子吸收、{硬件损伤}、{不完美CSI}和链接阻塞。

MarQSim：协调量子模拟编译器优化中的确定性和随机性

分类： 量子物理学, 新兴技术

作者： Xiuqi Cao, Junyu Zhou, Yuhao Liu, Yunong Shi, Gushu Li

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03429v1

摘要： 量子模拟是量子算法设计的基础，它远远超出了其基础根源，为各种量子计算应用提供了动力。然而，优化量子哈密顿模拟的编译提出了重大挑战。现有方法在协调确定性和随机编译方面存在不足，缺乏适当的中间表示，并且很难保证正确性。为了解决这些挑战，我们提出了 MarQSim，一种新颖的编译框架。 MarQSim 利用基于马尔可夫链的方法，封装在哈密顿项转换图中，巧妙地协调了确定性和随机编译的优点。我们严格证明其算法效率和正确性标准。此外，我们制定了一个最小成本流模型，可以调整转换矩阵以强制正确性，同时适应各种优化目标。实验结果证明了 MarQSim 在生成更高效的量子电路以模拟各种量子哈密顿量同时保持精度方面具有优越性。

采用矢量场技术分析忆阻器细胞非线性网络细胞动力学

分类： 新兴技术

作者： Chandan Singh, Vasileios Ntinas, Dimitrios Prousalis, Yongmin Wang, Ahmet Samil Demirkol, Ioannis Messaris, Vikas Rana, Stephan Menzel, Alon Ascoli, Ronald Tetzlaff

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03260v1

摘要： 本文介绍了一种创新的图形分析工具，用于研究具有二阶处理元件（称为 M-CNN 单元）的忆阻器细胞非线性网络 (M-CNN) 的动力学。在满足智能自主系统需求的专用硬件时代，忆阻器在蜂窝非线性网络（CNN）中的集成由于其特殊的特性而成为一种有前途的范例。然而，适用于一阶系统的标准动态路由图（DRM）分析无法解决二阶 M-CNN 细胞动力学的复杂性，并且二阶 DRM（DRM2）在图形说明上表现出局限性M-CNN 细胞的局部动态特性，例如状态导数的大小。为了解决这一限制，我们提出了一种将 M-CNN 细胞矢量场集成到细胞相图中的新颖方法，提高了分析效率并实现高效的 M-CNN 细胞设计。对 M-CNN 细胞动力学进行了全面的探索，展示了所提出的图形工具在各种场景（包括双稳态和单稳态行为）中的实用性，并展示了其揭示细胞行为细微变化的卓越能力。通过这项工作，我们为 M-CNN 的分析和设计提供了一个精致的视角，为边缘计算和专用硬件的高级应用铺平了道路。

大学、校园和教育机构中的窄带物联网 (NB-IoT) 和物联网用例：研究分析

分类： 计算机与社会, 新兴技术

作者： Lyberius Ennio F. Taruc, Arvin R. De La Cruz

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03157v1

摘要： 本研究论文的主要目的是分析窄带物联网和物联网在大学、校园和教育机构中的可用用例。使用 IEEE Xplore、ACM Digital Library 和 Scopus 等多个数据库进行文献综述。该研究探讨了高等教育中采用物联网的好处。分析了 NB-IoT 在教育机构中的各种用例，包括智能校园管理、资产跟踪、监控以及安全和安保系统。在评估的 6 个用例中，3 个侧重于 IoT 物联网的部署，另外 3 个则侧重于 NB-IoT 连接。该研究论文的结论是，NB-IoT 技术在增强教育机构的各个方面（从智能校园管理到改善安全和安保系统）方面具有巨大潜力。该研究建议在教育环境中进一步探索和实施 NB-IoT 技术，以提高效率、安全性和整体校园管理。该研究强调了 NB-IoT 在大学和教育机构中的潜在应用，为该领域的未来研究铺平了道路。这项研究的社会影响可能包括增强学生的整体学习体验、改善校园安全以及促进教育环境的技术进步。关键词：窄带物联网、物联网、智慧校园、智慧机构

波插值神经算子：未经训练波长的电场插值预测

分类： 机器学习, 新兴技术, 光学

作者： Joonhyuk Seo, Chanik Kang, Dongjin Seo, Haejun Chung

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02971v1

摘要： 设计光子结构需要电磁模拟，这通常需要很高的计算成本。研究人员开发了用于预测电场的替代求解器，以缓解计算问题。然而，现有的代理求解器仅限于在固定的模拟条件下执行推理，并且需要针对不同的条件进行重新训练。为了解决这个问题，我们提出了波插值神经算子（WINO），这是一种新颖的代理求解器，可以在连续的宽带波长光谱上进行模拟条件插值。 WINO 引入了傅里叶群卷积混洗算子和新的调节方法，可以根据经过训练和未经训练的波长数据有效预测电场，从而显着提高参数效率和光谱插值性能。我们的模型表现出比传统有限差分频域仿真快大约 100 倍的性能。此外，与最先进的模型相比，未训练波长的参数减少了 74%，预测精度提高了 80.5%，训练波长的预测精度提高了 13.2%。

大模型战略思维，小模型效率：在大语言模型中迁移思维理论

分类： 计算和语言, 人工智能, 计算机与社会, 新兴技术, 计算机科学与博弈论

作者： Nunzio Lore, Alireza, Ilami, Babak Heydari

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05241v1

摘要： 随着更大、更新的大型语言模型在战略心理理论 (ToM) 任务中的性能不断提高，对这些最先进模型的需求也相应增加。然而，它们的部署在处理能力和时间方面都是昂贵的。在本文中，我们研究了通过微调创建更小的、可用于模拟的代理的可行性。为此，我们提出了一个包含 20 个独特场景的大型预训练模型，将社会背景与社会困境结合起来，记录其答案，并使用它们对同一系列的较小模型进行问答微调。我们的重点是上下文博弈论决策，这是人类互动发生的同一领域，需要心理理论（或其相似的理论）和对社会动态的理解。我们发现，经过微调的较小语言模型表现出更接近其较大相对语言模型的显着性能，并且它们的改进超出了训练示例中提供的领域和上下文。平均而言，对于所有游戏，通过微调，较小的模型在与较大模型的行为对齐方面表现出 %46 的改进，%100 表示完全对齐。这表明我们的管道代表了一种将某种形式的心理理论传输到较小模型的有效方法，从而在此过程中创建改进且可廉价部署的算法。尽管它们很简单并存在相关的缺点和局限性，但我们的研究结果代表了追求和培训战略和社会决策专门模型的基石。

强化学习在网络事件响应期间进行高效且有效的恶意软件调查

分类： 密码学和安全, 人工智能, 新兴技术

作者： Dipo Dunsin, Mohamed Chahine Ghanem, Karim Ouazzane, Vassil Vassilev

发布时间： 2024-08-04

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01999v1

摘要： 这项研究的重点是使用强化学习 RL 增强事件后恶意软件取证调查。我们提出了先进的 MDP 事件后恶意软件取证调查模型和框架，以加快事件后取证。然后，我们在提议的框架内基于结构化 MDP 实施 RL 恶意软件调查模型。为了识别恶意软件伪品，强化学习代理获取并检查取证证据文件，使用 Q 表和时间差异学习迭代改进其功能。 Q学习算法显着提高了代理识别恶意软件的能力。 epsilon 贪婪探索策略和 Q 学习更新实现了高效的学习和决策。我们的实验测试表明，最佳学习速率取决于 MDP 环境的复杂性，较简单的环境受益于较高的速率以实现更快的收敛，而复杂的环境则需要较低的速率以实现稳定性。与人类专家相比，我们的模型在识别和分类恶意软件方面的性能减少了恶意软件分析时间，展现了鲁棒性和适应性。该研究强调了超参数调整的重要性，并提出了针对复杂环境的自适应策略。我们基于强化学习的方法产生了有希望的结果，并被验证为传统方法的替代方案，特别是通过提供对新的和不断发展的恶意软件威胁的持续学习和适应，最终增强了事件后取证调查。

通过形式验证为网络物理系统配置安全尖峰神经控制器

分类： 新兴技术, 系统与控制, 系统与控制

作者： Arkaprava Gupta, Sumana Ghosh, Ansuman Banerjee, Swarup Kumar Mohalik

发布时间： 2024-08-04

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01996v1

摘要： 尖峰神经网络 (SNN) 是神经形态模型的一个子类，由于其能源效率，具有作为网络物理系统 (CPS) 控制器的巨大潜力。他们可以受益于首先训练人工神经网络 (ANN)，然后通过后续超参数调整转换为 SNN 的流行方法。需要进行调整以确保生成的 SNN 在均方误差 (MSE) 等指标方面相对于 ANN 是准确的。然而，用于安全关键 CPS 的 SNN 控制器还必须满足安全规范，而转换方法无法保证这一点。在本文中，我们提出了一种解决方案，调整翻译后的 SNN 的 $temporal$ $window$ 超参数，以确保准确性并符合安全范围规范，该规范要求 SNN 输出保持在安全范围内。核心验证问题使用混合整数线性规划 (MILP) 进行建模，并使用 Gurobi 进行求解。当控制器无法满足范围规范时，我们会计算 SNN 输出的严格界限，作为 CPS 开发人员的反馈。为了减轻验证的高计算成本，我们集成了数据驱动的步骤以最大程度地减少验证调用。我们的方法使设计人员有信心将节能 SNN 控制器安全地集成到现代 CPS 中。我们通过五个不同基准神经控制器的实验结果展示了我们的方法。

开放生成模型在以人为中心的数据科学工作中的含义：事实核查组织的案例研究

分类： 人机交互, 人工智能, 计算和语言, 计算机与社会, 新兴技术

作者： Robert Wolfe, Tanushree Mitra

发布时间： 2024-08-04

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01962v1

摘要： 在学术研究中使用开放生成语言模型的呼声凸显了科学研究中对可重复性和透明度的需求。然而，生成式人工智能的影响远远超出了学术界，因为企业和公共利益组织已经开始将这些模型整合到他们的数据科学管道中。我们将这一视角扩展到包括开放模型对组织的影响，特别关注事实核查组织，这些组织使用人工智能来观察和分析大量传播的错误信息，但还必须确保其工作的可重复性和公正性。我们想了解事实核查组织在其数据科学管道中何处使用开放模型；是什么促使他们使用开放模型或专有模型；以及他们对开放或专有模型的使用如何为生成人工智能的社会影响的研究提供信息。为了回答这些问题，我们对六大洲 20 个事实核查组织的 N=24 名专业人士进行了访谈研究。根据这些采访，我们提供了一个由五个组成部分的概念模型，说明事实核查组织在其中使用生成式人工智能来支持或自动化其数据科学管道的部分内容，包括数据摄取、数据分析、数据检索、数据交付和数据共享。然后，我们提供了事实核查组织使用开放模型的动机以及阻止他们进一步采用开放模型的限制的分类，发现他们更喜欢组织自治、数据隐私和所有权、应用程序专用性和能力透明度的开放模型。然而，由于在性能、可用​​性和安全性方面的明显优势，以及与参与新兴生成式人工智能生态系统相关的机会成本，他们仍然使用专有模型。我们的工作为数据驱动组织中的开放模型提供了新颖的视角。

忆阻器电阻漂移的延迟条件生成模型

分类： 新兴技术, 信号处理

作者： Waleed El-Geresy, Christos Papavassiliou, Deniz Gündüz

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01539v1

摘要： 忆阻器件的建模是新型内存计算系统开发的重要组成部分。需要模型来准确有效地模拟忆阻器器件的特性，以测试器件的性能或其在未来神经形态和内存计算架构中使用的可行性。忆阻器非理想性的考虑是任何建模方法的重要组成部分。忆阻器件与其初始状态的偏差性质，特别是在环境温度和没有刺激电压的情况下，是人们关注的焦点，因为它决定了它们作为信息存储介质的可靠性——这一特性对于传统存储介质和存储介质都非常重要。存储和神经形态应用。在本文中，我们研究了使用生成建模方法来模拟忆阻器件的延迟和初始电阻条件电阻漂移分布。我们引入了数据标准化方案和新颖的训练技术，使生成模型能够以连续输入为条件。由于其模拟效率和可微性，所提出的生成建模方法适合用于端到端训练和设备建模场景，包括学习数据存储应用程序。

使用 MCX 门中的辅助量子位分析量子电路深度减少

分类： 量子物理学, 新兴技术

作者： Ahmad Bennakhi, Paul Franzon, Gregory T. Byrd

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01304v1

摘要： 本文旨在让读者对利用辅助量子位的不同 MCX 深度缩减技术有一个高层次的概述。我们还对它们在不同量子拓扑设置下的表现进行了简要分析。研究的技术是递归和 v 链，因为它们是最流行的量子计算库 Qiskit 中最常用的技术。本文的目标受众是不具备与量子计算相关的复杂数学或物理知识的人。

根据个体血流和活动定制基于图神经网络的流程引导定位

分类： 机器学习, 人工智能, 新兴技术, 网络和互联网架构

作者： Pablo Galván, Filip Lemic, Gerard Calvo Bartra, Sergi Abadal, Xavier Costa Pérez

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01239v1

摘要： 在血液中使用体内纳米设备进行血流引导定位预计将有利于疾病的早期检测、生物状况的持续监测和针对性治疗。纳米设备面临尺寸和功率限制，会产生用于定位目的的错误原始数据。体内锚点接收该数据，并使用它来得出感兴趣的诊断事件的位置。最近针对此任务提出了不同的机器学习 (ML) 方法，但它们目前仅限于静息患者的参考血流。因此，它们无法处理患者血流的身体多样性，并且无法由于个体患者活动的变化而提供连续监测。为了解决当前基于图神经网络 (GNN) 的最先进 (SotA) 流程引导定位方法的这些问题，我们提出了一种基于个人生理指标（包括身高、体重和心脏）的 GNN 适应管道速度。我们的结果表明，所提出的调整措施有利于协调血液和活动之间的个体差异。

量子网络中的纠缠路由：综合调查

分类： 新兴技术, 网络和互联网架构, 量子物理学

作者： Amar Abane, Michael Cubeddu, Van Sy Mai, Abdella Battou

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01234v1

摘要： 近期量子网络中的纠缠路由包括选择短程纠缠的最佳序列，通过交换操作进行组合，以在两个远程节点之间建立端到端纠缠。与传统路由技术类似，量子路由协议使用网络信息来选择最佳路径来满足一组端到端纠缠请求。然而，除了网络状态信息之外，量子路由协议还必须考虑所请求的纠缠保真度、交换操作的概率性质以及纠缠态的短寿命。在这项工作中，我们提出了一个实际的纠缠路由问题，并对解决该问题的主要方法进行了分析和分类，在适用的情况下与经典网络路由策略进行比较并从中汲取灵感。我们将所研究的量子路由方案分类并讨论为反应式、主动式、机会式和虚拟路由

通过噪声门贝叶斯网络进行基于量规的学习者建模，用于计算思维技能评估

分类： 人工智能, 新兴技术

作者： Giorgia Adorni, Francesca Mangili, Alberto Piatti, Claudio Bonesana, Alessandro Antonucci

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01221v1

摘要： 在现代个性化教育中，人们越来越关注培养学习者的能力并准确评估他们的能力。在之前的工作中，我们提出了一种从特定任务的能力评估标准中派生自动技能评估学习者模型的程序，从而简化了自动化评估工具的实施。然而，以前的方法有两个主要局限性：（i）评估标准定义的能力之间的顺序只是间接建模的； (ii) 未接受评估但完成任务所必需的补充技能未包含在模型中。在这项工作中，我们通过引入虚拟观察节点来解决问题（i），严格执行技能排序而不改变网络结构。相反，对于第(ii)点，我们设计了一个具有两层门的网络，一层通过噪声或门执行析取运算，另一层通过逻辑与执行连接运算。这些变化提高了模型结果的一致性和建模工具的灵活性，而不影响模型的紧凑参数化、可解释性和简单的专家启发。我们使用这种方法开发了计算思维 (CT) 技能评估的学习者模型。采用CT-cube技能评估框架和交叉阵列任务（CAT）对其进行了例证并论证了其可行性。

Vertiport 终端调度和多个表面方向的吞吐量分析

分类： 新兴技术, 系统与控制, 系统与控制

作者： Ravi Raj Saxena, T. V. Prabhakar, Joy Kuri, Manogna Yadav

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01152v2

摘要： 垂直起降 (VTOL) 车辆在无人机送货市场中广受欢迎，目前正在开发用于城市地区的客运，以有效实现城市空中交通 (UAM)。 UAM旨在利用城市空域\hidetxt{垂直维度}来解决密集城市中道路严重拥堵的问题。垂直起降车辆需要垂直起降终端来进行着陆、起飞、乘客上下机、加油（或充电）和维护。高效的调度算法对于最大限度地提高垂直机场终端的吞吐量以及有效利用空域}同时维持处理 UAM 流量的安全协议至关重要。虽然传统的起飞和滑行操作可以在垂直环境下应用，但起飞和着陆时间表需要特定的算法。与需要跑道才能在单个方向上起飞和爬升的固定翼飞机不同，垂直起降飞行器可以在多个方向上接近和爬升。我们提出了混合整数线性规划（MILP）公式来安排航班在起飞后（着陆前）和在登机口掉头时使用多个方向进行滑行、爬升（或进场）。我们还推导出了考虑所有核心要素的方程来彻底分析垂直设备的吞吐能力。我们已经证明，我们的 MILP 可以实现通过方程获得的最大吞吐量。给定输入参数，我们的分析可用于分析垂直设备的容量，而无需运行任何模拟，而我们的 MILP 可用于获得最有效的调度。

从激光雷达和航空图像中提取物体高度

分类： 计算机视觉和模式识别, 新兴技术

作者： Jesus Guerrero

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00967v1

摘要： 这项工作展示了一种从激光雷达和航空图像中提取物体高度的程序方法。我们讨论如何获取高度以及激光雷达和图像处理的未来。 SOTA 对象分割允许我们在没有深度学习背景的情况下获取对象高度。工程师将跟踪各代人的世界数据并对其进行重新处理。他们将使用本文等较旧的程序方法和此处讨论的较新的程序方法。 SOTA 方法正在超越分析，进入生成人工智能领域。我们涵盖了程序方法和使用语言模型执行的较新方法。其中包括点云、图像和文本编码，支持空间感知人工智能。

用于神经形态计算的固态氧化物离子突触晶体管

分类： 新兴技术, 应用物理

作者： Philipp Langner, Francesco Chiabrera, Nerea Alayo, Paul Nizet, Luigi Morrone, Carlota Bozal-Ginesta, Alex Morata, Albert Tarancòn

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01469v1

摘要： 神经形态硬件有利于人工智能神经网络模型的快速、节能的训练和操作。然而，现有的模拟内存计算设备（例如忆阻器）仍然面临着阻碍其商业化的重大挑战。这些挑战由于其随机性而具有高度可变性。微制造的电化学突触通过充当基于确定性离子插入机制的模拟可编程电阻器，提供了一种有前景的方法。在这里，我们开发了一种采用 $\text{Bi}2\text{V}{0.9}\text{Cu}{0.1}\text{O}{5.35} 的全固态氧化物离子突触晶体管$ 作为优质氧化物离子导体电解质和 $\text{La}\text{0.5}\text{Sr}\text{0.5}\text{F}\text{O}_\text{3-$ \delta$}$ 作为可变电阻通道，能够在与传统电子设备兼容的温度下高效运行。我们的晶体管表现出基本的突触行为，例如长期和短期增强、配对脉冲促进和强直后增强，模仿生物神经网络的基本特性。满足高效神经形态计算的关键标准，包括出色的线性和对称突触可塑性、每个编程脉冲的低能耗以及具有最小周期变化的高耐久性。所提出的突触晶体管集成到用于手写数字识别的人工神经网络 (ANN) 模拟中，在 MNIST 数据集上实现了 96% 的准确率，说明了我们的设备在 ANN 中的有效实施。这些发现证明了基于氧化物离子的突触晶体管在基于离子电子学的模拟神经形态计算中有效实施的潜力。

ARA农村宽带无线生活实验室及应用的设计与实现

分类： 网络和互联网架构, 新兴技术

作者： Taimoor Ul Islam, Joshua Ofori Boateng, Md Nadim, Guoying Zu, Mukaram Shahid, Xun Li, Tianyi Zhang, Salil Reddy, Wei Xu, Ataberk Atalar, Vincent Lee, Yung-Fu Chen, Evan Gosling, Elisabeth Permatasari, Christ Somiah, Zhibo Meng, Sarath Babu, Mohammed Soliman, Ali Hussain, Daji Qiao, Mai Zheng, Ozdal Boyraz, Yong Guan, Anish Arora, Mohamed Selim, Arsalan Ahmad, Myra B. Cohen, Mike Luby, Ranveer Chandra, James Gross, Hongwei Zhang

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00913v1

摘要： 为了应对农村宽带挑战并利用农村地区为试点先进无线应用提供的独特机会，我们设计并实施了 ARA 无线生活实验室，用于农村无线系统及其在精准农业、社区服务和农业领域的应用的研究和创新。很快。 ARA 专注于农村地区独特的社区、应用和经济背景，其特点是在农村地区首次实际部署长距离、大容量无线 X 传输和接入平台。直径超过30公里的区域。借助软件定义的无线电和可编程 COTS 系统，并通过光纤有效编排这些无线资源以及跨用户设备、基站、边缘和云的端到端嵌入式计算资源，ARA 提供了可编程性、性能和稳健性和异构性，从而实现以农村为中心的无线和应用的共同演进，同时帮助推进无线系统在 O-RAN、NextG 和农业应用等领域的前沿发展。在这里，我们介绍了 ARA 的设计原理和实现策略，描述了其性能和异构性，并重点介绍了 ARA 独特支持的无线和应用实验示例。

通过少量镜头即可获得高质量 QAOA 参数的端到端协议

分类： 量子物理学, 新兴技术

作者： Tianyi Hao, Zichang He, Ruslan Shaydulin, Jeffrey Larson, Marco Pistoia

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00557v1

摘要： 量子近似优化算法 (QAOA) 是一种用于组合优化的量子启发式算法，已被证明对于某些问题的扩展性比最先进的经典求解器更好。对于给定的问题实例，QAOA 性能很大程度上取决于参数的选择。虽然在许多情况下都可以使用平均情况下的最佳参数，但通过针对给定实例微调这些参数可以获得有意义的性能增益。然而，当电路执行（镜头）数量有限时，这项任务尤其具有挑战性。在这项工作中，我们开发了一种结合了多个参数设置和微调技术的端到端协议。我们使用大规模数值实验来优化镜头限制设置的协议，并观察到具有最简单内部模型（线性）的优化器表现最好。我们使用高达 32 美元的量子位和 5 美元的 QAOA 层在捕获离子处理器上实现了优化的管道，并且我们证明了该管道对于少量硬件噪声具有鲁棒性。据我们所知，这些是捕获离子处理器上 QAOA 参数调整的最大演示。

物联网人工智能的能源成本

分类： 新兴技术, 人工智能, 机器学习

作者： Shih-Kai Chou, Jernej Hribar, Mihael Mohorčič, Carolina Fortuna

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00540v1

摘要： 人工智能 (AI) 与现有的物联网 (IoT) 相结合，使各个经济部门的运营更加简化和自主。因此，以人工智能技术为核心的人工智能物联网 (AIoT) 范式意味着额外的能源和碳成本，随着神经架构的复杂化，这些成本可能会变得显着。为了更好地了解某些 AIoT 组件的能源和碳足迹 (CF)，最近的研究采用了传统指标。然而，这些指标并不是为了捕捉能源效率方面的推论而设计的。在本文中，我们提出了一个新的指标，即 AIoT 生命周期的能源成本 (eCAL)，以捕获 AIoT 系统生命周期内推理的总体能源成本。我们通过分析 AIoT 生命周期中涉及的各个组件的数据操作的复杂性，设计了一种确定 AIoT 系统 eCAL 的新方法，并得出总体和每比特的能耗。通过 eCAL，我们表明模型越好并且使用得越多，推理的能源效率就越高。对于 AIoT 配置示例，进行 100 美元推理的 eCAL 比进行 1000 美元推理的 eCAL 高 1.43 倍。我们还根据不同国家的能源消耗和碳强度（CI）计算等效CO$_{2}$排放量来评估AIoT系统的CF。使用 2023 年可再生数据，我们的分析表明，在德国部署 AIoT 系统的 CO$_2 排放量比芬兰高 4.62 美元，因为后者使用了更多的低 CI 能源。

任意有限维量子系统中离散时间量子行走的鲁棒实现

分类： 量子物理学, 新兴技术

作者： Biswayan Nandi, Sandipan Singha, Ankan Datta, Amit Saha, and Amlan Chakrabarti

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00530v1

摘要： 研究表明，量子行走可以加速某些量子算法，并充当量子处理的通用范例。离散时间量子行走（DTQW）模型由于其离散性质，成为最适合电路实现的选择之一。然而，当前大多数实现的特点是广泛的多层量子电路，导致计算费用更高，并且当前量子计算机上可靠可执行的时间步数显着减少。由于量子计算机在 NISQ 时代的可扩展性不够，我们也必须将自己限制在无辅助的前沿区域。因此，在本文中，与最先进的递增-递减方法相比，我们在量子位系统中提出的方法成功地将与门数和电路深度有关的电路成本减少了一半。此外，为了我们提出的方法的工程卓越性，我们在任何有限维量子系统中以类似的效率实现了 DTQW。为了确保在不需要辅助的情况下有效实现量子行走，我们采用了一种中间量子技术来分解多量子位门。实验结果的意义远远超出了几个时间步骤的范围，为量子计算机的可靠实施和使用奠定了基础。

在离子阱 QCCD 架构上扩展和分配资源

分类： 量子物理学, 新兴技术

作者： Anabel Ovide, Daniele Cuomo, Carmen G. Almudever

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00225v1

摘要： 离子阱技术由于其较长的退相干时间和对单个量子位的精确操作而作为量子信息处理的潜在候选者而受到广泛关注，这将其与量子技术领域的其他候选者区分开来。然而，可扩展性仍然是一个挑战，因为在陷阱中引入额外的量子位会增加噪声和热效应，从而降低操作保真度。俘获离子量子电荷耦合器件 (QCCD) 架构通过互连多个陷阱并采用离子穿梭机制在陷阱之间传输离子来解决这一限制。这种新的架构设计需要开发用于量子算法的新颖编译技术，以有效地分配和路由量子位以及调度操作。编译器的目的是最大限度地减少离子运动，从而减少电路的执行时间以实现更高的保真度。在本文中，我们提出了一种用于初始量子位放置的新颖方法，与之前的方法相比，性能增强了高达 50%。此外，我们对两种不同的 QCCD 拓扑进行了可扩展性分析：一维线性阵列和环形结构。此外，我们还评估了过剩容量（即陷阱内的可用空间数量）对算法性能的影响。