Despite the successes in many fields, it is found that neural networks are vulnerability and difficult to be both accurate and robust (robust means that the prediction of the trained network stays unchanged for inputs with non-random perturbations introduced by adversarial attacks). Various empirical and analytic studies have suggested that there is more or less a trade-off between the accuracy and robustness of neural networks. If the trade-off is inherent, applications based on the neural networks are vulnerable with untrustworthy predictions. It is then essential to ask whether the trade-off is an inherent property or not. Here, we show that the accuracy-robustness trade-off is an intrinsic property whose underlying mechanism is deeply related to the uncertainty principle in quantum mechanics. We find that for a neural network to be both accurate and robust, it needs to resolve the features of the two conjugated parts $x$ (the inputs) and $\Delta$ (the derivatives of the normalized loss function $J$ with respect to $x$), respectively. Analogous to the position-momentum conjugation in quantum mechanics, we show that the inputs and their conjugates cannot be resolved by a neural network simultaneously.


翻译:尽管在许多领域取得了成功,但人们发现,神经网络是脆弱的,很难做到准确和稳健(怒火意味着对经过训练的网络的预测对于通过对抗性攻击带来的非随机扰动投入的预测保持不变)。各种经验和分析研究表明,神经网络的准确性和稳健性之间有或多或少的权衡关系。如果这种权衡是内在的,基于神经网络的应用是脆弱的,而且预测不可信。然后必须问,这种权衡是否是固有财产。在这里,我们表明,精确-怒火交易是一种内在属性,其基本机制与量子力学的不确定性原则密切相关。我们发现,神经网络要想准确和稳健,就需要解决心电图的两部分的特征:美元(投入)和美元(神经网络的正常损失函数的衍生物,即美元,与美元有关)。我们无法同时用量子力力力学模型来分析其位置-脉冲调成的内在属性。我们无法通过量子力机械学来同时展示其投入。

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