Детективная работа в науке: решение обратных задач в ядерной физике
💡 Решение многих научных загадок требует детективной работы, когда по наблюдаемым результатам нужно определить их причину. Например, физики-ядерщики в Национальном ускорительном центре Томаса Джефферсона (Thomas Jefferson National Accelerator Facility) анализируют последствия взаимодействия частиц, чтобы понять структуру атомного ядра.
🔬 Такой тип исследования субатомных частиц известен как обратная задача. Это противоположность прямой задаче, где по причинам вычисляются следствия. Обратные задачи возникают во многих описаниях физических явлений, и часто их решение ограничено доступными экспериментальными данными.
Искусственный интеллект на службе у науки
🤖 Учёные из Лаборатории Джефферсона и Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) в рамках сотрудничества QuantOm разработали технику искусственного интеллекта (ИИ), которая может надёжно решать такие задачи на суперкомпьютерах в больших масштабах.
💬 «Мы хотели доказать, что можем использовать генеративный ИИ для лучшего понимания структуры протона», — сказал учёный по данным Лаборатории Джефферсона Даниэль Лерш, ведущий исследователь проекта. «Но эта система не ограничивается ядерной физикой. Обратные задачи могут быть чем угодно».
Система SAGIPS: решение сложных задач
🔧 Система называется SAGIPS (Scalable Asynchronous Generative Inverse-Problem Solver). Она основана на высокопроизводительных вычислениях и генеративных моделях ИИ, которые могут создавать новый текст, изображения или видео на основе данных, на которых обучены алгоритмы.
📈 SAGIPS была создана для QuantOm. Её цель — лучше понять фундаментальную ядерную физику с помощью передовых вычислительных методов. Система SAGIPS недавно была представлена в журнале Machine Learning: Science and Technology.
Применение в различных областях науки
🔭 Обратные задачи можно найти в большинстве областей науки, от астрофизики до химии и медицинской визуализации. Процесс можно сравнить с обратным проектированием, сказал Нобуо Сато, физик-теоретик из Лаборатории Джефферсона и автор статьи.
💡 «Представьте, что вы бросаете мяч в тёмную дыру, — сказал Сато. — Если мяч отскакивает обратно по определённому шаблону, вы можете попробовать разные направления и в принципе определить, какая поверхность находится внутри».
Оптические устройства нового поколения
🔬 Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего достигли важной вехи в фотонике: создали крошечные оптические устройства, которые одновременно высокочувствительны и долговечны — два качества, которые долгое время считались несовместимыми.
🔍 Это редкое сосуществование чувствительности и долговечности может привести к созданию нового поколения фотонных устройств, которые будут не только точными и мощными, но и более простыми и дешёвыми в производстве в больших масштабах. Это может открыть двери для передовых датчиков и технологий, начиная от высокочувствительной медицинской диагностики и датчиков окружающей среды и заканчивая более безопасными системами связи, все они будут встроены в крошечные чипы.
🔧 Достижение обоих свойств было сложной задачей, потому что устройства, достаточно чувствительные для обнаружения крошечных изменений в окружающей среде, часто хрупкие и склонны к поломке при возникновении даже малейших несовершенств в процессе производства. Это делает их дорогими и сложными в производстве в больших масштабах. Тем временем создание таких устройств более прочными часто означает компромисс с их точностью.
Новый подход к созданию фотонных устройств
🧑🏭 Команда под руководством Абдулая Ндао, профессора кафедры электротехники и вычислительной техники в Школе инженерии Jacobs Калифорнийского университета в Сан-Диего, нашла способ преодолеть это противоречие.
💬 «Наше исследование решает эту критическую задачу, — сказал Ндао. — Мы разработали новые фотонные устройства, которые одновременно высокочувствительны к окружающей среде и устойчивы к ошибкам производства и несовершенствам материалов». Исследование было опубликовано в Advanced Photonics.
🔬 Устройства основаны на физическом явлении, известном как субволновая фазовая сингулярность. Это происходит, когда свет ограничен пространством меньше своей длины волны, создавая точку полной темноты — там интенсивность света падает до нуля, — в то время как его фаза продолжает плавно проходить через полный цикл. Эта сингулярность одновременно высокочувствительна к изменениям в окружающей среде, что делает её идеальной для сенсорных приложений, и достаточно прочна, чтобы выдерживать несовершенства производственных процессов.
Перспективы применения
📈 Практическое использование сингулярности было сложной задачей, объяснил Ндао. Большинство оптических устройств пытаются сбалансировать чувствительность и надёжность, поскольку чувствительные конструкции хрупкие, а надёжные системы, как правило, лишены точности.
💡 «Это первое устройство, которое одновременно чувствительно и устойчиво к производственным несовершенствам», — сказал Ндао. «Мы разработали крошечные оптические устройства, которые одновременно прочны и высокочувствительны — сочетание, которое ранее считалось невозможным».