Закачете маса от преохладени атоми с магнитно поле и ще видите „квантови фойерверки“ - струи от атоми, които изстрелват в очевидно случайни посоки.
Изследователите откриха това още през 2017 г. и подозираха, че може да има модел в тези фойерверки. Но те не можеха да го забележат сами. И така, те прехвърлиха проблема на компютър, обучен за съвпадение на модели, който успя да забележи онова, което не можеха: форма, рисувана от фойерверките във времето, при взрив след взрив на атомна струя. Тази форма? Забавна малка костенурка.
Резултатите, публикувани като доклад на 1 февруари в списание Science, са сред първите големи примери на учени, които използват машинно обучение за решаване на задачи с квантовата физика. Хората трябва да очакват да видят повече цифрови асистенции от този вид, пишат изследователите, тъй като експериментите в квантовата физика все повече включват системи, твърде големи и сложни, за да се анализират, като се използва само мозъчната сила.
Ето защо е необходима компютърната помощ:
За да създадат фойерверките, изследователите започнали със състояние на веществото, наречено кондензат Бозе-Айнщайн. Това е група от атоми, доведени до температури, толкова близки до абсолютната нула, че те се струпват и започват да се държат като един суператом, проявявайки квантови ефекти при сравнително големи мащаби.
Всеки път, когато магнитно поле удари кондензата, шепа атомни струи биха изстреляли от него, в очевидно случайни посоки. Изследователите направиха изображения на струите, като определиха позициите на атомите в пространството. Но дори много от тези изображения, слоени един върху друг, не разкриха очевидна рима или причина за поведението на атомите.
чрез Gfycat
Това, което компютърът видя, че хората не могат, е, че ако тези образи се завъртят, за да седят един върху друг, се появи ясна картина. Атомите средно са склонни да се отхвърлят от фойерверките в една от шест посоки една спрямо друга по време на всеки взрив. Резултатът беше, че достатъчно изображения, завъртени и слоени по правилния начин, разкриха четири „крака“ под прав ъгъл един към друг, както и по-дълга „глава“ между два от краката, съчетана с „опашка“ между другите два , Останалите атоми бяха доста равномерно разпределени в три пръстена, които съставляваха черупката на костенурката.
Това не беше очевидно за човешките наблюдатели, защото посоката, в която „костенурката“ беше ориентирана по време на всеки взрив, беше случайна. И всеки взрив съставляваше само няколко парчета от цялостния пъзел във формата на костенурка. Необходимо беше безкрайно търпение на компютъра за пресяване на разхвърляни данни, за да се разбере как да подредим всички изображения така, че костенурката да се появи.
Този вид метод - превръщането на способностите за разпознаване на образи на компютър в свободен набор от разбъркани данни - е ефективен в усилията, вариращи от интерпретация на мислите, минаващи през човешки мозък, до забелязване на екзопланети, обикалящи около орбита на далечни звезди. Това не означава, че компютрите изпреварват хората; хората все още трябва да обучават машините да забелязват моделите, а компютрите по никакъв смислен начин не разбират какво виждат. Но подходът е все по-разпространен инструмент в научния набор от инструменти, който сега се прилага в квантовата физика.
Разбира се, след като компютърът намери този резултат, изследователите провериха неговата работа, използвайки някои старомодни техники за лов на модели, които вече са често срещани в квантовата физика. И след като разбраха какво да търсят, изследователите отново намериха костенурката, дори без помощта на компютъра.
Нито едно от тези изследвания все още не обяснява защо с времето фойерверките проявяват формата на костенурка, посочиха изследователите. И това не е видът на машинното обучение е подходящ за отговор.
„Разпознаването на модел винаги е първата стъпка в науката, така че този тип машинно обучение може да идентифицира скрити връзки и характеристики, особено когато се прехвърляме, за да се опитаме да разберем системи с голям брой частици“, водещият автор Чен Чин, физик в Чикагския университет, се казва в изявление.
Следващата стъпка в изясняването защо тези фойерверки правят модел на костенурка вероятно ще включва много по-малко машинно обучение и много повече човешка интуиция.
