Zarówno obliczenia kwantowe, jak i uczenie maszynowe zapowiadane są jako następna wielka rewolucja komputerowa. Eksperci zwracają jednak uwagę, że techniki te nie są narzędziami uniwersalnymi – będą stanowić wielki skok mocy obliczeniowej tylko w przypadku bardzo wyspecjalizowanych algorytmów.
Jeszcze trudniej będzie o sytuację, w której obie techniki będą pracować nad tym samym problemem. Jednym z przykładów takiej współpracy jest próba modelowania odpowiedzi na jeden z najtrudniejszych problemów fizyki – jak Ogólna Teoria Względności ma się do Modelu Standardowego?
Jak połączyć Ogólną Teorię Względności z Modelem Standardowym?
Zespół kierowany przez naukowców z Uniwersytetu Michigan i RIKEN uważa, że udało im się opracować taki algorytm. Niewiele jest miejsc, w których dochodzi do zderzenia dwóch wielkich modeli fizyki, ale jednym z nich jest miejsce wokół czarnej dziury. Te fascynujące obiekty często pojawią się na naszym blogu. Zajmowaliśmy się ich tematem na przykład w tekście „Czarna dziura połyka gwiazdę neutronową”.
Czarne dziury są masywnymi studniami grawitacyjnymi, w których panuje wyłącznie fizyka zdefiniowana przez Ogólną Teorię Względności. Jednak wokół ich horyzontów zdarzeń wirują niezliczone cząstki, które są odporne na działanie grawitacji. Jednocześnie podlegają strukturze Modelu Standardowego, którym zajmuje się bezpośrednio fizyką cząstek.
Od dawna istnieje teoria, że ruchy i przyspieszenia cząstek znajdujących się bezpośrednio nad czarną dziurą mogą być dwuwymiarową projekcją tego, co sama czarna dziura robi w trzech wymiarach. Koncepcja ta nosi nazwę dualności holograficznej i może być sposobem na znalezienie krytycznego punktu stycznego między teorią względności (czyli fizyką czarnej dziury) a modelem standardowym (czyli fizyką cząstek elementarnych).
Sama dualność holograficzna jest jednak trudna do modelowania za pomocą współczesnych algorytmów obliczeniowych. Dlatego Enrico Rinaldi, fizyk z Uniwersytetu Michigan i RIKEN, podjął próbę opracowania nowego modelu, który wykorzystywałby dwie bardzo modne obecnie architektury obliczeniowe – obliczenia kwantowe i uczenie maszynowe.
Obliczenia kwantowe i uczenie maszynowe wymodelują dualność holograficzną
Same obliczenia kwantowe mogą być pomocne w modelowaniu fizyki cząstek elementarnych, ponieważ niektóre elementy fizyki leżące u podstaw samej platformy obliczeniowej podlegają tym prawom fizyki, które są nam tak obce w skali makro. W tym przypadku doktor Rinaldi i jego zespół wykorzystali algorytm działający na komputerze kwantowym do symulacji cząstek, które tworzą projektową część dualności holograficznej.
W tym celu wykorzystali koncepcję zwaną modelem macierzy kwantowej. Podobnie jak w przypadku wielu symulacji fizycznych, końcowym celem symulacji było znalezienie najniższego stanu energetycznego układu. Modele macierzy kwantowych mogą pomóc w skutecznym rozwiązaniu problemów z optymalizacją. Dzięki temu można znaleźć najniższy stan energetyczny układów cząstek rzutowanych nad czarną dziurą.
Algorytmy wykorzystujące komputer kwantowy nie są jedynym sposobem na znalezienie „stanów podstawowych” – jak nazywa się najniższy stan energetyczny układu. Inną metodą jest wykorzystanie techniki sztucznej inteligencji, zwanej siecią neuronową. Opierają się one na wykorzystaniu systemów podobnych do tych, które znajdują się w ludzkim mózgu.
Zespół zastosował te algorytmy do modelu macierzy, który nadal opiera się na ideach kwantowych, ale nie wymaga obliczeń kwantowych. Znane jako kwantowe funkcje falowe, one również reprezentowały aktywność cząstek na powierzchni czarnej dziury. I znów algorytm sieci neuronowej był w stanie rozwiązać problem optymalizacji i znaleźć swój „stan podstawowy”.
Obliczenia kwantowe i uczenie maszynowe mają przewagę nad standardowymi metodami
Zdaniem Rinaldiego te nowe techniki stanowią znaczące ulepszenie w porównaniu z wcześniejszymi próbami rozwiązania tych algorytmów. Naukowiec powiedział, że „inne metody, których zwykle używamy, potrafią znaleźć energię stanu podstawowego, ale nie całą strukturę funkcji falowej”.
Nadal nie do końca wiemy, co to oznacza dla zrozumienia wnętrza czarnej dziury lub powiązania między modelem standardowym a ogólną teorią względności. Teoretycznie powinien istnieć sposób na modelowanie wnętrza czarnej dziury przy użyciu typów kwantowych funkcji falowych zdefiniowanych przez te algorytmy.
Rinaldi twierdzi, że praca, która będzie mogła doprowadzić do stworzenia kwantowej teorii grawitacji, nie została jeszcze wykonana. Biorąc jednak pod uwagę szybki wzrost popularności tych nowych architektur obliczeniowych, jest niemal pewne, że ktoś spróbuje rzucić światło na tę ciągle nierozwiązaną tajemnicę wszechświata.
Sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe to jeden z najpopularniejszych tematów na naszym blogu. Wielokrotnie zajmowaliśmy się tym tematem, a chcącym pogłębić swoją wiedzę polecamy artykuł „Uczenie maszynowe – co to jest i jak otaczają nas technologie na nim oparte?”.
Źródło: Science Alert