芝加哥大學(xué)物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種新的量子行為形式，他們受到了煙火的歡迎——原子噴射而出，但明亮噴流背后的圖案很難從噪音中分辨出來(lái)。

相反，科學(xué)家們采用了該領(lǐng)域的一種新方法：機(jī)器學(xué)習(xí)。通過(guò)一種模式識(shí)別算法來(lái)運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)原子路徑形成了一個(gè)獨(dú)特的形狀，看起來(lái)有點(diǎn)像一只烏龜——這有助于梳理其背后的物理現(xiàn)象。2019年2月1日發(fā)表在《科學(xué)》(Science)上的研究結(jié)果，提高了我們對(duì)量子動(dòng)力學(xué)的理解，并為研究量子現(xiàn)象提供了一種創(chuàng)新方法。

博科園-科學(xué)科普：該研究的主要作者、芝加哥大學(xué)(University of Chicago)物理學(xué)教授程欽(Cheng Chin)說(shuō)：在理解復(fù)雜的量子動(dòng)力學(xué)時(shí)，我們開(kāi)始受到直覺(jué)的限制，但機(jī)器學(xué)習(xí)可能是理解這類系統(tǒng)的一種新工具，程欽是利用超光速實(shí)驗(yàn)研究構(gòu)成最小粒子和宇宙行為基礎(chǔ)的量子現(xiàn)象的先驅(qū)。在最初的研究中，Chin實(shí)驗(yàn)室將粒子冷卻到接近絕對(duì)零度，直到它們?nèi)磕鄢上嗤牧孔討B(tài)，即玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)。接下來(lái)施加磁場(chǎng)，驚奇地發(fā)現(xiàn)原子以明亮的噴射流噴射出來(lái)。

但準(zhǔn)確的模式很難在噪音中分辨出來(lái)，這項(xiàng)新研究的研究人員開(kāi)發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以搜索人眼并不總是能看到的模式和相關(guān)性。這類似于觀察火車站的人流，起初它看起來(lái)隨機(jī)，但如果仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)家人一起旅行，商人一起開(kāi)會(huì)等等。該算法找出了一個(gè)形狀類似烏龜?shù)年P(guān)聯(lián)：圍繞一個(gè)中心源的圓環(huán)，形成“殼”，還有兩個(gè)延伸的點(diǎn)，分別是“頭”和“尾”。如果你看到一個(gè)粒子朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，總會(huì)有另一個(gè)粒子以45度角運(yùn)動(dòng)。本質(zhì)上，這是一系列的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：第一個(gè)粒子在靠近源的地方相互作用，相互碰撞;。當(dāng)這些粒子相互作用時(shí)，下一個(gè)環(huán)就形成了，以此類推。

這種現(xiàn)象背后的物理現(xiàn)象被稱為高諧波產(chǎn)生。從本質(zhì)上說(shuō)，每幅圖像都包含許多這樣的海龜圖案，它是一路向下的烏龜。用傳統(tǒng)的相關(guān)方法確認(rèn)了模式識(shí)別，這是通過(guò)觀察每一對(duì)原子之間的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這比先前發(fā)現(xiàn)的模式要復(fù)雜得多。科學(xué)家們認(rèn)為，機(jī)器學(xué)習(xí)在揭示量子力學(xué)研究中的新現(xiàn)象方面可能非常有用。識(shí)別模式一直是科學(xué)的第一步，所以這種機(jī)器學(xué)習(xí)可以識(shí)別隱藏的關(guān)系和特征，尤其是當(dāng)我們?cè)噲D理解含有大量粒子的系統(tǒng)時(shí)。對(duì)這些行為的更深入理解，有朝一日可能會(huì)應(yīng)用到技術(shù)中，比如讓量子網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍擴(kuò)大到更遠(yuǎn)距離的方法。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自:?芝加哥大學(xué)

參考期刊文獻(xiàn):《Science》

DOI: 10.1126/science.aat5008

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