人與機(jī)器:人工智能能做科學(xué)嗎?

在過去的幾十年里，機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)徹底改變了社會(huì)的許多部門，機(jī)器學(xué)習(xí)駕駛汽車，識(shí)別腫瘤和下棋-往往超過了他們的人類同行。

現(xiàn)在，一個(gè)總部設(shè)在沖繩科學(xué)技術(shù)研究所研究生大學(xué)（OIST）、慕尼黑大學(xué)和波爾多大學(xué)CNRS的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，機(jī)器也可以在自己的游戲中擊敗理論物理學(xué)家，解決復(fù)雜問題的速度和科學(xué)家一樣準(zhǔn)確，但速度要快得多。

在這項(xiàng)研究中，最近發(fā)表在“物理評(píng)論B”上，一臺(tái)機(jī)器學(xué)會(huì)了在焦綠石模型中識(shí)別不尋常的磁相-一種具有四面體晶格結(jié)構(gòu)的天然礦物。值得注意的是，當(dāng)使用這臺(tái)機(jī)器時(shí)，解決這個(gè)問題只需要幾個(gè)星期，而以前的OIST科學(xué)家需要六年的時(shí)間。

“這感覺是一個(gè)非常重要的步驟，”Nic Shannon教授說。“現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)能夠以一種非常有意義的方式進(jìn)行科學(xué)研究，并解決長(zhǎng)期困擾科學(xué)家的問題?！?/p>

挫折之源

在所有的磁鐵中，每個(gè)原子都與一個(gè)微小的磁矩聯(lián)系在一起，也被稱為“自旋”。在傳統(tǒng)的磁鐵中，就像那些粘在冰箱上的磁鐵一樣，所有的旋轉(zhuǎn)都是有序的，使它們指向相同的方向，從而產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)。這種順序就像原子在固體物質(zhì)中排序的方式。

但正如物質(zhì)可以存在于不同的階段-固體、液體和氣體-磁性物質(zhì)也是如此。TQM單元對(duì)稱為“自旋液體”的更不尋常的磁相感興趣，這可以用于量子計(jì)算。在自旋液體中，自旋之間存在競(jìng)爭(zhēng)或“受挫”的相互作用，因此自旋不是有序的，而是不斷地向著方向波動(dòng)-類似于物質(zhì)的液相中所看到的無序。

以前，TQM單元開始確定哪些不同類型的自旋液體可能存在于受挫的焦綠石磁鐵中。他們構(gòu)建了一個(gè)相圖，它顯示了隨著溫度的變化，當(dāng)自旋以不同的方式相互作用時(shí)，如何發(fā)生不同的相位，他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在2017年的物理評(píng)論X上。

但是，將相圖拼湊在一起，并確定每個(gè)階段中自旋之間相互作用的規(guī)則是一個(gè)艱巨的過程。

香農(nóng)教授開玩笑說：“這些磁鐵確實(shí)令人沮喪。“即使是最簡(jiǎn)單的焦綠石晶格模型也需要我們團(tuán)隊(duì)多年的時(shí)間才能解決?！?/p>

進(jìn)入機(jī)器

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的不斷進(jìn)步，TQM單元對(duì)機(jī)器是否能解決如此復(fù)雜的問題感到好奇。

香農(nóng)教授說：“老實(shí)說，我相當(dāng)肯定這臺(tái)機(jī)器會(huì)出現(xiàn)故障。“這是我第一次對(duì)一個(gè)結(jié)果感到震驚——我很驚訝，我很高興，但從來沒有感到震驚?！?/p>

OIST的科學(xué)家們與慕尼黑大學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)專家合作，由Lode Pollet教授領(lǐng)導(dǎo)，他開發(fā)了一種“張量核”——一種在計(jì)算機(jī)中表示自旋構(gòu)型的方法?？茖W(xué)家們使用張量核來裝備一個(gè)“支持向量機(jī)”，它能夠?qū)?fù)雜的數(shù)據(jù)分為不同的組。

這種類型的機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)是，與其他支持向量機(jī)不同，它不需要任何事先訓(xùn)練，也不是黑匣子-結(jié)果可以解釋。這些數(shù)據(jù)不僅被分類成組；你還可以詢問機(jī)器是如何做出最終決定的，并了解每個(gè)組的不同性質(zhì)，”波爾多大學(xué)CNRS研究員盧多維奇·賈伯特博士說。

慕尼黑的科學(xué)家們給這臺(tái)機(jī)器提供了25萬個(gè)旋轉(zhuǎn)構(gòu)型，這些構(gòu)型是由OIST超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬的焦綠石模型產(chǎn)生的。在沒有任何關(guān)于哪些階段的信息的情況下，機(jī)器成功地復(fù)制了一個(gè)相同版本的相圖。

重要的是，當(dāng)科學(xué)家們破譯機(jī)器為對(duì)不同類型的自旋液體進(jìn)行分類而構(gòu)建的“決定功能”時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)還獨(dú)立地計(jì)算出了每個(gè)階段的精確數(shù)學(xué)方程式，整個(gè)過程需要幾個(gè)星期的時(shí)間。

波爾萊特教授說：“大部分時(shí)間都是人類的時(shí)間，因此進(jìn)一步加快速度仍然是可能的?！案鶕?jù)我們現(xiàn)在所知，這臺(tái)機(jī)器可以在一天內(nèi)解決問題?！?/p>

Shannon教授補(bǔ)充說：“我們對(duì)這臺(tái)機(jī)器的成功感到興奮，這可能對(duì)理論物理產(chǎn)生巨大的影響?！跋乱徊綄⑹墙o機(jī)器一個(gè)更困難的問題，人類還沒有設(shè)法解決這個(gè)問題，看看機(jī)器是否能做得更好?！?/p>