論文の概要: Testing the spin-bath view of self-attention: A Hamiltonian analysis of GPT-2 Transformer

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.00683v4
• Date: Mon, 21 Jul 2025 05:24:54 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-07-22 14:33:32.312503
• Title: Testing the spin-bath view of self-attention: A Hamiltonian analysis of GPT-2 Transformer
• Title（参考訳）: 自己注意のスピンバス視点の検証:GPT-2変換器のハミルトン解析
• Authors: Satadeep Bhattacharjee, Seung-Cheol Lee,
• Abstract要約: 対話型2体スピンシステムとして,Large Language Models (LLMs) の注意機構について検討した。 我々は、プロダクショングレードのGPT-2モデルから、すべての注目ヘッドに対して対応する実効ハミルトニアンを導出する。 本研究は, 生産段階モデルにおけるスピンバス類似性の最初の強い実証的証拠である。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.691971345435238
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The recently proposed physics-based framework by Huo and Johnson~\cite{huo2024capturing} models the attention mechanism of Large Language Models (LLMs) as an interacting two-body spin system, offering a first-principles explanation for phenomena like repetition and bias. Building on this hypothesis, we extract the complete Query-Key weight matrices from a production-grade GPT-2 model and derive the corresponding effective Hamiltonian for every attention head. From these Hamiltonians, we obtain analytic phase boundaries and logit gap criteria that predict which token should dominate the next-token distribution for a given context. A systematic evaluation on 144 heads across 20 factual-recall prompts reveals a strong negative correlation between the theoretical logit gaps and the model's empirical token rankings ($r\approx-0.70$, $p<10^{-3}$).Targeted ablations further show that suppressing the heads most aligned with the spin-bath predictions induces the anticipated shifts in output probabilities, confirming a causal link rather than a coincidental association. Taken together, our findings provide the first strong empirical evidence for the spin-bath analogy in a production-grade model. In this work, we utilize the context-field lens, which provides physics-grounded interpretability and motivates the development of novel generative models bridging theoretical condensed matter physics and artificial intelligence.
• Abstract（参考訳）: HuoとJohnsonによる最近提案された物理ベースのフレームワーク~\cite{huo2024capturing}は、相互作用する2体スピンシステムとしてのLarge Language Models(LLM)の注意機構をモデル化し、繰り返しやバイアスのような現象を第一原理で説明する。 この仮説に基づいて、プロダクショングレードの GPT-2 モデルから完全な Query-Key 重み行列を抽出し、注目ヘッド毎に対応する実効ハミルトニアンを導出する。 これらのハミルトニアンから、分析位相境界とロジットギャップ基準を取得し、どのトークンが与えられたコンテキストに対して次のトークン分布を支配するべきかを予測する。 20個のファクトリコールプロンプトの144個のヘッドに対する体系的評価は、理論的なロジットギャップとモデルの経験的トークンランキング(r\approx-0.70$, $p<10^{-3}$)の間に強い負の相関を示す。 さらに、スピンバス予測に最も適した頭部の抑制は、出力確率の予想されるシフトを誘導し、偶然の関連性よりも因果関係を確かめることを示す。 本研究は, 生産段階モデルにおけるスピンバス類似性の最初の強い実証的証拠を提供するものである。 本研究では,理論的凝縮物質物理学と人工知能を橋渡しする新しい生成モデルの開発を動機付け,物理地上での解釈性を提供する文脈場レンズを利用する。

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