Исследовательская группа разработала новый метод прямой выборки на основе глубоких генеративных моделей. Их метод позволяет эффективно генерировать выборку распределения Больцмана в непрерывном диапазоне температур. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters. Руководил группой профессор Пань Дин, доцент кафедр физики и химии, и доктор Ли Шоу-Хуэй, доцент-исследователь кафедры физики Гонконгского университета науки и технологий (HKUST).
Распределение Больцмана
Распределение Больцмана — одно из наиболее важных распределений в статистической механике для систем в термодинамическом равновесии. Выборка из него имеет решающее значение для понимания сложных систем, таких как фазовые переходы, химические реакции и биомолекулярные конформации. Однако эффективное и точное вычисление термодинамических величин для таких систем долгое время было серьёзной проблемой в этой области.
Традиционные численные методы
Традиционные численные методы в статистической механике, включая молекулярную динамику (МД) и метод Монте-Карло (MCMC), требуют значительного времени для моделирования, чтобы получить средние по ансамблю, когда энергетический барьер системы высок, что приводит к значительным вычислительным затратам.
Новый метод
Вдохновлённые недавними достижениями в области глубоких генеративных моделей, доктор Ли и его коллеги предложили общую структуру — вариационный дифференцируемый по температуре (VaTD) метод, применимый к любой поддающейся обработке модели генерации плотности, такой как авторегрессионные модели и нормализующие потоки.
VaTD может изучать распределение Больцмана в непрерывном диапазоне температур, причём производные первого и второго порядка термодинамических величин по температуре удобно получать с помощью автоматической дифференциации. Это эффективно аппроксимирует аналитическую партиционную функцию.
В оптимальных условиях модель теоретически гарантирует несмещённое распределение Больцмана. Более того, интегрирование по непрерывному диапазону температур помогает преодолеть энергетические барьеры, тем самым уменьшая смещение в моделировании.
В отличие от преобладающих генеративных моделей в статистической механике, VaTD требует только потенциальной энергии системы и не полагается на предварительно сгенерированные наборы данных из МД или моделирования Монте-Карло.
Команда подтвердила точность и эффективность метода с помощью численных экспериментов на классических моделях статистической физики, включая модель Изинга и XY-модель.
Профессор Пань отметил: «Этот прорыв открывает путь для изучения новых явлений в сложных статистических системах с потенциальными приложениями в физике, химии, материаловедении и науках о жизни».
Открытие квантового излучателя в алмазах открывает новый тип связи
Исследователи Городского колледжа Нью-Йорка показали, как квантовый излучатель — азот-вакансионный (NV) центр в алмазе — взаимодействует неожиданным образом со специально разработанной фотонной структурой при перемещении с помощью сканирующего наконечника.
Исследование под руководством Карлоса А. Мерилеса, профессора физики в отделении наук, и под названием «Излучение азот-вакансионных центров в алмазе, сформированное топологическими волноводными модами фотоники», опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.
То, что долгое время считалось недостатком NV-центра — его широкий и беспорядочный спектр излучения, — оказывается, позволяет создать новый тип связи, который изменяет его свет способами, невиданными ранее. Это открытие имеет фундаментальное значение для квантовых информационных технологий, поскольку такая связь может помочь преодолеть давние проблемы, такие как спектральная диффузия, и открыть пути к надёжной спин-фотонной и спин-спиновой запутанности на чипе.
В то же время работа демонстрирует новую возможность зондирования: анализируя излучение NV, команда смогла восстановить детальные изображения фотонных мод с разрешением по поляризации с замечательным контрастом.
«Помимо фотонных структур, эта чувствительность к поляризации может в конечном итоге быть применена для обнаружения хиральных молекул, которые занимают центральное место в биологии и медицине», — сказал Мерилес.
Он добавил, что последующие исследования будут продолжены в обоих направлениях — более глубокое изучение взаимодействий квантового излучателя и структуры и разработка новых приложений для зондирования, основанных на тех же принципах.