Искусственный интеллект предсказал поведение квантовых систем
Ученые ВШЭ совместно с коллегами из Университета Южной Калифорнии разработали алгоритм, который быстро и точно предсказывает поведение квантовых систем — от квантовых компьютеров до солнечных батарей. С его помощью удалось смоделировать процессы в полупроводнике MoS₂ и выяснить, что на движение заряженных частиц влияет не только количество дефектов, но и их расположение. Эти дефекты могут замедлять или ускорять перенос заряда, создавая эффекты, которые раньше было сложно учесть при применении стандартных методов.
Исследование опубликовано в журнале The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Современная электроника работает благодаря квантовым эффектам. Полупроводники, светодиоды, солнечные батареи — все эти устройства зависят от того, как ведут себя электроны в материалах. Описать такие процессы с высокой точностью сложно: моделирование требует огромных вычислительных мощностей. Чтобы рассчитать движение электронов в материале из тысячи атомов, суперкомпьютерам приходится выполнять миллионы операций.
Обычно при моделировании квантовых систем используют метод молекулярной динамики: он позволяет предсказывать, как атомы и электроны будут двигаться со временем. Однако если состояния электронов изменяются быстро, стандартные методы моделирования становятся слишком ресурсоемкими.
Исследователи МИЭМ ВШЭ решили проблему с помощью использования машинного обучения. Новый алгоритм анализирует небольшие фрагменты материала, обучаясь на их локальных свойствах, а затем строит предсказания о поведении всей системы. Ученые изучили двумерный полупроводник сульфид молибдена (MoS₂) — перспективный материал для оптоэлектроники и фотовольтаики. В частности, он может служить рабочим слоем солнечных элементов. В идеальном случае атомы молибдена (Mo) и серы (S) образуют упорядоченную решетку, но в реальных материалах структура редко бывает идеальной: в ней могут присутствовать дефекты.
Дефекты — это нарушения в расположении атомов. В MoS₂ они могут проявляться как вакансии (отсутствие атомов серы или молибдена), лишние атомы между слоями, локальные смещения или другие отклонения от идеальной решетки. Дефекты меняют поведение электронов: в некоторых случаях ухудшают проводимость, но иногда могут придавать материалу новые свойства, например увеличивать его чувствительность к свету или делать его лучшим проводником заряда.
«Чтобы понять, как дефекты влияют на движение электронов, мы сосредоточились на небольших фрагментах материала. Алгоритм сначала изучал локальные свойства системы, а затем предсказывал поведение всей структуры. Это как при изучении языка: сначала ты запоминаешь отдельные слова, а потом начинаешь понимать целые предложения», — комментирует доцент МИЭМ ВШЭ Лю Дунюй.
Оказалось, что важно не только количество дефектов, но и их расположение. Дефекты могут задерживать или ускорять движение заряженных частиц, создавая ловушки для носителей заряда внутри запрещенной зоны полупроводника. Стандартные методы плохо справляются с расчетом этих эффектов, так как при расчетах необходимо учитывать взаимодействие дефектов друг с другом и с атомами материала, что сложно сделать при использовании вычислительных ячеек малого размера. Машинное обучение позволяет преодолеть эти размерные ограничения и учесть синергетический эффект множественных дефектов в материале.
«Важно, что этот метод не только ускоряет вычисления, но и помогает изучать реальные квантовые системы, — комментирует профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Андрей Васенко. — Результаты наших исследований смогут сократить разрыв между теоретическим моделированием и экспериментальными исследованиями материалов. Мы разработали новый подход к изучению движения зарядов в сложных системах, объединив точные вычисления, молекулярную динамику и машинное обучение. Этот метод поможет исследовать материалы, в которых электроны переносят энергию и информацию, что важно для электроники и энергетики».
Telegram 
Дзен 
VK Физтехи разработали стохастический вариант метода Франк—Вульфа для моделирования равновесного распределения транспортных потоков. Особенность нового подхода — использование случайных фрагментов из большого массива данных — ускоряет вычисления, при этом в экспериментах метод показывает качество решения, сопоставимое с классическими алгоритмами.
Во время эксперимента с новорожденными исследователи заметили, что мозг детей способен сопоставлять количество объектов в разных «каналах» восприятия. Он реагировал по-разному на информацию о количестве, которая подавалась через слух и изображения. Это говорит о том, что человек уже рождается с базовой системой «обработки численности», то есть мозг может оценивать количество элементов еще до того, как ребенок начинает говорить или осваивать счет.
Ученые Сеченовского Университета разработали модель машинного обучения, способную различать четыре хронических заболевания легких по составу выдыхаемого воздуха. В исследовании участвовали пациенты с бронхиальной астмой, хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ), муковисцидозом и лимфангиолейомиоматозом (ЛАМ).
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно