Nagroda Nobla z Fizyki 2024

nobelfizyka.jpg

Komitet Noblowski ogłosił, że Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2024 została przyznana Johnowi J. Hopfieldowi oraz Geoffrey’owi E. Hintonowi „za fundamentalne odkrycia i wynalazki umożliwiające uczenie maszynowe z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych„. Chodzi tutaj o wykorzystanie narzędzi dostępnych fizykom do opracowania metod, które stanowią fundament dzisiejszego uczenia maszynowego. John Hopfield stworzył pamięć asocjacyjną, która może przechowywać i rekonstruować obrazy oraz inne typy wzorców danych. Geoffrey Hinton wynalazł metodę, która autonomicznie odkrywa właściwości danych, umożliwiając wykonywanie zadań takich jak identyfikacja konkretnych elementów na obrazach.

To ważny moment dla całego obszaru sztucznej inteligencji, który po raz pierwszy został doceniony przez Komitet Noblowski. Hopfield i Hinton, uważani za ojców chrzestnych AI, przyczynili się do koncepcyjnych i inżynieryjnych przełomów, które uczyniły głębokie sieci neuronowe kluczowym elementem współczesnej informatyki. Nagroda z fizyki jest wyrazem uznania dla roli, jaką ta dyscyplina i nauka o prawach natury odegrały w rozwoju sztucznej inteligencji, ale również przypomnieniem, że to prawa natury są zarówno fundamentem, jak i ograniczeniem możliwości sztucznej inteligencji.

Więcej o samych laureatach:

John Hopfield wynalazł sieć, która wykorzystuje metodę zapisywania i odtwarzania wzorców. Można to sobie wyobrazić jako węzły reprezentujące piksele, które tworzą obraz. Sieć Hopfielda działa w sposób analogiczny do procesów fizycznych zachodzących w materiałach o właściwościach magnetycznych, gdzie energia systemu jest minimalizowana w celu odnalezienia najbardziej prawdopodobnego wzorca. Gdy sieć otrzymuje zniekształcony lub niekompletny obraz, krok po kroku aktualizuje wartości węzłów, aby doprowadzić do odtworzenia pełnego obrazu. To podejście pozwoliło na efektywne przechowywanie i rekonstrukcję informacji, co miało ogromne znaczenie w dalszym rozwoju sztucznej inteligencji.

Geoffrey Hinton wykorzystał sieć Hopfielda jako fundament do stworzenia maszyny Boltzmanna – sieci, która może samodzielnie uczyć się rozpoznawania charakterystycznych cech danych. Hinton użył narzędzi z fizyki statystycznej, aby zrozumieć, jak systemy złożone z wielu elementów mogą się uczyć. Maszyna Boltzmanna może być używana do klasyfikacji obrazów lub generowania nowych wzorców, a wyniki tych badań stały się podstawą dla współczesnych algorytmów głębokiego uczenia.

Jak atomy rydbergowskie mogą wspomagać złożone obliczenia kwantowe?

Tunable-quantum-criticality-in-multi-component-Rydberg-arrays.jpg

Symulatory kwantowe, będące w zasadzie specjalistycznymi komputerami kwantowymi, stają się kluczem do eksploracji skomplikowanych zjawisk kwantowych, które na chwilę obecną wykraczają poza możliwości tradycyjnych komputerów. Natalia Chepiga i jej praca rzucają nowe światło na to, jak możemy udoskonalić te urządzenia, aby symulowały jeszcze bardziej złożone systemy kwantowe, co zostało opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters. Zaproponowany został innowacyjny protokół na to, jak skonfigurować symulatory kwantowe, aby były w pełni regulowane. W tym celu wykorzystano dwa lasery o różnych częstotliwościach do pobudzania atomy rydbergowskie. Dla przypomnienia atomy rydbergowskie to atomy w wysoce wzbudzonym stanie, czyli też o dość sporym rozmiarze (nawet sięgających mikrometrów). Zauważono, że układy tych atomów wykazują niezwykle bogate pole do badania jednowymiarowych kwantowych przejść fazowych, w tym zjawisk tak złożonych jak chiralne przejścia fazowe. Problem polegał na tym, że przejścia te zachodziły w bardzo wąskim zakresie, co utrudniało ich eksperymentalne zbadanie. Zaproponowane rozwiązanie problemu to zastosowanie wieloskładnikowych układów atomów rydbergowskich. Emisja odpowiednio dobranego światła z dwóch laserów o różnych częstotliwościach, umożliwia precyzyjne dostrojenie tych układów do stabilnych faz o różnych okresach, co otwiera drogę do badania wcześniej trudno dostępnych zjawisk. To podejście nie tylko ułatwia eksplorację chiralnych przejść fazowych, ale również umożliwia badanie modelu Ashkin-Tellera, dając szansę na głębsze zrozumienie samych właściwości tych przejść. Co więcej, opracowany protokół pozwala na manipulowanie „krytycznością kwantową” bez bezpośredniego naruszania symetrii translacyjnej. Tego typu manipulowanie wieloskładnikowymi układami atomów Rydberga można wykorzystać do precyzyjnego kontrolowania przejścia fazowego w tych układach, co jest kluczowe dla operacji kwantowych, ponieważ pozwalają na dokładne modelowanie i symulowanie złożonych zjawisk kwantowych, które są poza zasięgiem obecnych komputerów.

Link do oficjalnej publikacji „Tunable Quantum Criticality in Multicomponent Rydberg Arrays” w Physical Review Letters: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.076505
Link do ogólnodostępnej publikacji w Arxiv: https://arxiv.org/pdf/2308.12838.pdf

Aktywna redukcja hałasu poprzez jonizację powietrza

actively-reducing-nois.jpg

Jak się okazuje, można stworzyć głośnik korzystając z przewodów elektrycznych używanych do jonizacji powietrza. W dużym skrócie, możliwe jest generowanie dźwięku poprzez wytworzenie na tyle silnego pola elektrycznego w siatce równoległych przewodów, aby zjonizować cząsteczki powietrza. Powstałe w ten sposób naładowane cząsteczki przechodzą przez pole magnetyczne i ich ruch jest tak zmieniany, że są w stanie „popychać” resztę niezjonizowanego powietrza tak, aby wygenerować fale akustyczne.

Koncepcja głośnika plazmowego nie jest nowa, dlatego naukowcy z EPFL (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne) postanowili zbudować wersję demonstracyjną „odwrotnego” transduktora plazmowego, mając na celu badanie redukcji hałasu – w myśl, że jeżeli głośnik może generować dźwięk, może go także pochłaniać. Opracowane rozwiązanie nazywali „aktywną metawarstwą plazmoakustyczną”. Od strony konstrukcyjnej jest to o tyle ciekawe, ponieważ rozwiązanie eliminuje jedną z najważniejszych cech konwencjonalnych głośników – membranę. Jak wyjaśnia Stanislav Sergeev, post-doc w Grupie Akustycznej EPFL:

„Chcieliśmy zredukować wpływ membrany na tyle, na ile to możliwe, ponieważ jest ciężka. Ale co może być lekkie jak powietrze? Samo powietrze. Na początku jonizujemy cienką warstwę powietrza pomiędzy elektrodami, którą nazywamy metawarstwą plazmoakustyczną. Te same cząsteczki powietrza, teraz w formie jonów, mogą natychmiast reagować na zmiany zewnętrznego pola elektrycznego i skutecznie oddziaływać z wibracjami w powietrzu wokół urządzenia, aby je zniwelować.

Tak jak się spodziewaliśmy, komunikacja między elektrycznym systemem sterowania plazmą a środowiskiem akustycznym jest znacznie szybsza niż z membraną”

Rozwiązanie oparte na plazmie jest nie tylko wydajne dla tłumienia wysokich częstotliwości, ale jest całkiem wszechstronne, ponieważ istnieje możliwość dostrojenia pracy także do niskich częstotliwości. Naukowcy pokazali, że dynamikę cienkich warstw powietrznej plazmy można kontrolować, aby oddziaływanie z dźwiękiem odbywało się na odległościach znacznie mniejszych od długości fali. W ten sposób możemy bardzo szybko reagować na powstały hałas i redukować go w szerszym paśmie. Warto zauważyć, że wspomniane rozwiązanie jest systemem aktywnym, w przeciwieństwie do technologii pasywnych redukcji hałasu, które są ograniczone w zakresie częstotliwości. Pochłaniacz plazmowy jest także bardziej kompaktowy niż większość konwencjonalnych rozwiązań. Wykorzystując unikalne zjawiska fizyczne metawarstw plazmoakustycznych, naukowcy eksperymentalnie wykazali pochłanianie dźwięku bliskie 100%. Dobrym przykładem efektywności pochłaniacza plazmowego są jego możliwości w przypadku tłumienia dźwięku o częstotliwości 20 Hz, czyli fali akustycznej o długości 17 m. W takim przypadku warstwa plazmy musi mieć jedynie 17 mm grubości, aby zacząć pochłaniać hałas. Dla porównania większość konwencjonalnych rozwiązań redukcji hałasu, takich jak ściany pochłaniające, musiałoby mieć co najmniej 4 metry grubości.

„Najbardziej fantastyczne w tej koncepcji jest to, że w przeciwieństwie do konwencjonalnych pochłaniaczy dźwięku, które polegają na porowatych materiałach lub strukturach rezonansowych, nasze rozwiązanie jest w pewien sposób eteryczne. Odkryliśmy zupełnie nowy mechanizm pochłaniania dźwięku, który można zrobić tak cienkim i lekkim, jak to tylko możliwe, otwierając nowe granice w zakresie kontroli hałasu, gdzie wymiary i ciężar mają znaczenie, szczególnie przy tłumieniu niskich częstotliwości”

— Hervé Lissek, Grupa Akustyczna EPFL

Wyniki prac naukowców z EPFL zostały zaprezentowane w Nature Communications w publikacji „ Ultrabroadband sound control with deep-subwavelength plasmacoustic metalayers”

Przetłumaczono i streszczono na podstawie:
https://phys.org/news/2023-05-noise-ionizing-air.html

Odtworzono eksperyment podwójnej szczeliny, który udowodnił falową naturę światła także w czasie, a nie tylko w przestrzeni

double-slit-experiment.jpg

Fizycy z Imperial College London odtworzyli słynny eksperyment z podwójną szczeliną, który wykazuje, że światło zachowuje się jak fale, ale zamiast w przestrzeni, również w czasie.

Eksperyment opiera się na materiałach, które mogą zmieniać swoje właściwości optyczne w ułamkach sekundy i mogą być wykorzystane w nowych technologiach lub do badania podstawowych zagadnień w fizyce.

Oryginalny eksperyment z podwójną szczeliną został przeprowadzony w 1801 roku przez Thomasa Younga. Doświadczenie to pokazało, że światło zachowuje się jak fala. Kolejne eksperymenty jednak pokazały, że światło zachowuje się zarówno jak fala, jak i jak cząstka, ujawniając swoją kwantową naturę (tzw. dualizm korpuskularno-falowy).

Teraz zespół fizyków z Imperial College London przeprowadził eksperyment, używając „szczelin” czasowych zamiast przestrzennych. Osiągnęli to, wysyłając światło przez materiał, który zmienia swoje właściwości w femtosekundach (kwadrylionowych częściach sekundy), pozwalając światłu przechodzić tylko w określonych momentach.

Światło, aby podróżować przez szczeliny jako fala, dzieli się na dwie fale, które przechodzą osobno przez każdą szczelinę. Kiedy te fale znowu się przecinają po drugiej stronie, wzajemnie interferują. Powoduje to charakterystyczny wzór w prążki z większą i mniejszą ilością światła (interferencja konstruktywna i destruktywna)

W klasycznej wersji wspomnianego eksperymentu, światło wychodzące ze szczelin zmienia swoje kierunki, tak że wzór interferencji jest zapisywany w profilu kątowym światła. Zamiast tego, w nowym eksperymencie szczeliny czasowe zmieniają częstotliwość światła, co skutkuje zmianą obserwowanego koloru. W ten sposób powstałe kolory światła (czyli światło o różnych częstotliwościach/długościach fali), interferują ze sobą, wzmacniając i znosząc pewne kolory, aby utworzyć wzór interferencyjny.

Użytym w doświadczeniu (meta)materiałem był cienki film tlenku indowo-cynkowego (ITO – indium tin oxide), który wykorzystywany jest w produkcji większości ekranów telefonów komórkowych. Materiał miał zmienione swoje właściwości refleksyjne (zdolność do odbijania światła) przez ultra szybkie lasery, tworząc „otwory” dla światła. Materiał reagował dużo szybciej, zmieniając swoją refleksyjność w kilka femtosekund.

Metameriał to specjalnie zaprojektowany materiał niewystępujący w naturze, posiadający charakterystyczne właściwości optyczne (np. ujemny współczynnik załamania). To właśnie dzięki metamateriałom możliwa jest precyzyjna kontrola światła, a w połączeniu z kontrolą przestrzenną można stworzyć podwaliny pod nowe technologie.

Współautor badań, profesor Sir John Pendry stwierdził:

„Eksperyment czasowy otworzył drzwi do całkowicie nowej spektroskopii, zdolnej do rozwiązywania struktury czasowej impulsu światła na skali jednego okresu promieniowania”.

Następnym krokiem zespołu jest zbadanie zjawiska w „krysztale czasu”, który jest analogiczny do kryształu atomowego, ale gdzie właściwości optyczne zmieniają się w czasie.

Wyniki eksperymentu zostały opublikowane 3 kwietnia 2023 w czasopiśmie Nature Physics („Double-slit time diffraction at optical frequencies„)

Źródło:
phys.org

scroll to top