Maskinlæring afslører skjult skildpaddemønster i kvantefyrværkeri

To år siden, fysikere ved University of Chicago blev mødt med fyrværkeri – atomer, der skød ud i jetfly – da de opdagede en ny form for kvanteadfærd. Men mønstrene bag de lyse stråler var svære at se fra støjen.

I stedet, forskerne tog en ny tilgang til feltet:maskinlæring. Ved at køre dataene gennem en mønstergenkendelsesalgoritme, de identificerede, at atomernes veje dannede en karakteristisk form, der ligner lidt en skildpadde - hvilket hjalp med at drille fysikken bag den. Resultaterne, udgivet 1. februar in Videnskab , forbedre vores forståelse af kvantedynamik og tilbyde en innovativ måde at studere kvantefænomener på.

"Ved at forstå kompleks kvantedynamik, vi begynder at blive begrænset af vores intuition, men maskinlæring kunne være et nyt værktøj til at forstå sådanne systemer, " sagde hovedforfatter Cheng Chin, en professor i fysik ved University of Chicago og en pioner i at bruge ultrakolde eksperimenter til at studere de kvantefænomener, der ligger til grund for de mindste partiklers og universets opførsel.

I den oprindelige undersøgelse, Chins laboratorium kølede partikler ned til næsten det absolutte nul, indtil de alle kondenserede til den samme kvantetilstand, kaldet et Bose-Einstein-kondensat. Næste, de påførte et magnetfelt, og blev overrasket over at se atomer skyde ud i lyse stråler.

Men det præcise mønster var svært at drille ud blandt støjen. Kandidatstuderende Lei Feng, den første forfatter på den nye undersøgelse, udviklet en maskinlæringsalgoritme til at søge resultaterne efter mønstre og sammenhænge, ​​som menneskelige øjne ikke altid kan se.

"Dette svarer til at se på strømmen af ​​mennesker, der bevæger sig på en togstation, " sagde Cheng. "I starten ser det tilfældigt ud, men hvis du observerer nøje, du kan finde familier, der rejser sammen, forretningsfolk, der går til møder og så videre."

Algoritmen udvalgte en korrelation i en form, der ligner en skildpadde:en ring omkring en central kilde, der danner "skallen"; fire sekundære punkter, der ser ud som fødder omkring det; og to forlængede punkter som "hoved" og "hale". "Hvis du ser en partikel gå i én retning, der er altid en anden i en 45-graders vinkel, " sagde Feng. I det væsentlige, det er en række kædereaktioner:De første partikler interagerer tæt på kilden, preller af hinanden; den næste ring dannes, når disse partikler interagerer, og så videre. Fysikken bag fænomenet kaldes højharmonisk generering.

"I bund og grund hvert billede består af mange sådanne skildpaddemønstre, " tilføjede Cheng. "Det er skildpadder hele vejen ned."

"Vi bekræftede mønstergenkendelsen med en traditionel korrelationsmetode, " sagde Feng. "Det virker ved at se på forholdet mellem hvert par atomer, som er mindre omfattende end det mønster, vi fandt."

Forskerne mener, at maskinlæring kan være meget nyttig til at afsløre nye fænomener i studiet af kvantedynamik.

"At genkende et mønster er altid det første skridt i videnskaben, så denne type maskinlæring kunne identificere skjulte relationer og funktioner, især når vi skifter til at prøve at forstå systemer med et stort antal partikler, " sagde Chin.

En større forståelse af denne adfærd kunne en dag føre til teknologi, han sagde, såsom måder at udvide rækkevidden af ​​kvantenetværk over større afstande.