Уберите массу переохлажденных атомов с помощью магнитного поля, и вы увидите «квантовый фейерверк» - струи атомов, запускающиеся в явно случайных направлениях.
Исследователи обнаружили это еще в 2017 году, и они подозревали, что в этом фейерверке может быть какая-то картина. Но они не могли определить это самостоятельно. Таким образом, они передали эту проблему компьютеру, обученному сопоставлению с образцом, который смог обнаружить то, что они не могли: фигуру, нарисованную фейерверками со временем, в результате взрыва после атомной струи. Эта форма? Прикольная маленькая черепаха.
Результаты, опубликованные в виде отчета 1 февраля в журнале Science, являются одними из первых крупных примеров ученых, использующих машинное обучение для решения задач квантовой физики. Исследователи писали, что людям следует ожидать появления большего числа цифровых ассистов такого рода, поскольку эксперименты по квантовой физике все чаще включают системы, слишком большие и сложные, чтобы анализировать их, используя только интеллектуальные возможности.
Вот почему компьютерная помощь была необходима:
Чтобы создать фейерверк, исследователи начали с состояния вещества, называемого конденсатом Бозе-Эйнштейна. Это группа атомов, доведенная до температур, настолько близких к абсолютному нулю, что они слипаются и начинают вести себя как один суператом, демонстрируя квантовые эффекты в относительно больших масштабах.
Каждый раз, когда магнитное поле ударяло конденсат, горстка атомных струй удалялась от него в явно случайных направлениях. Исследователи сделали изображения струй, точно определяющих положение атомов в пространстве. Но даже многие из этих изображений, наложенных друг на друга, не выявили какой-либо очевидной рифмы или причины поведения атомов.
через Gfycat
Компьютер видел, что люди не могли этого сделать: если эти изображения поворачивать друг на друга, получается четкая картина. Атомы в среднем имели тенденцию отклоняться от фейерверка в одном из шести направлений относительно друг друга во время каждого взрыва. Результатом было то, что достаточное количество изображений, повернутых и наслоенных правильно, выявили четыре «ноги» под прямым углом друг к другу, а также более длинную «голову» между двумя ногами, совпадающую с «хвостом» между двумя другими , Остальные атомы были довольно равномерно распределены по трем кольцам, которые составляли панцирь черепахи.
Это не было очевидно для наблюдателей, потому что направление, в котором «черепаха» была ориентирована во время каждого взрыва, было случайным. И каждый взрыв составлял всего несколько кусочков общей череповидной головоломки. Потребовалось бесконечное терпение компьютера, чтобы просеивать грязные данные, чтобы понять, как расположить все изображения так, чтобы черепаха появилась.
Этот метод - ослабление возможностей компьютера по распознаванию образов на большом, грязном наборе данных - был эффективным в разных направлениях: от интерпретации мыслей, проходящих через человеческий мозг, до обнаружения экзопланет, вращающихся вокруг далеких звезд. Это не значит, что компьютеры опережают людей; людям все еще приходится обучать машины, чтобы замечать закономерности, а компьютеры не имеют никакого осмысленного понимания того, что они видят. Но этот подход становится все более распространенным инструментом в наборе научных инструментов, который теперь применяется к квантовой физике.
Конечно, как только компьютер обнаружил этот результат, исследователи проверили его работу, используя некоторые старомодные методы поиска шаблонов, уже распространенные в квантовой физике. И как только они узнали, что искать, исследователи снова нашли черепаху, даже без помощи компьютера.
Исследователи отметили, что ни одно из этих исследований еще не объясняет, почему фейерверки со временем проявляют форму черепахи. И этот вопрос не подходит для машинного обучения.
«Распознавание модели всегда является первым шагом в науке, поэтому этот тип машинного обучения может выявить скрытые связи и особенности, особенно когда мы переходим к попыткам понять системы с большим количеством частиц», - говорит физик Чен Чин, физик из Чикагский университет, говорится в сообщении.
Следующий шаг в выяснении того, почему эти фейерверки создают рисунок черепахи, скорее всего, потребует гораздо меньше машинного обучения и гораздо большей человеческой интуиции.
