像烏龜嗎？首次揭示量子中隱藏的烏龜圖案！

博科園：本文為量子物理學類

芝加哥大學物理學家們發現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，但明亮噴流背後的圖案很難從噪音中分辨出來。相反，科學家們採用了該領域的一種新方法：機器學習。通過一種模式識別演算法來運行數據，發現原子路徑形成了一個獨特的形狀，看起來有點像一隻烏龜——這有助於梳理其背後的物理現象。2019年2月1日發表在《科學》(Science)上的研究結果，提高了我們對量子動力學的理解，並為研究量子現象提供了一種創新方法。

博科園-科學科普：該研究的主要作者、芝加哥大學(University of Chicago)物理學教授程欽(Cheng Chin)說：在理解複雜的量子動力學時，我們開始受到直覺的限制，但機器學習可能是理解這類系統的一種新工具，程欽是利用超光速實驗研究構成最小粒子和宇宙行為基礎的量子現象的先驅。在最初的研究中，Chin實驗室將粒子冷卻到接近絕對零度，直到它們全部凝聚成相同的量子態，即玻色-愛因斯坦凝聚態。接下來施加磁場，驚奇地發現原子以明亮的噴射流噴射出來。

對從中心射出的量子粒子的機器學習分析揭示了一種類似烏龜的模式，暖色表示更活躍。圖片：Lei Feng

但準確的模式很難在噪音中分辨出來，這項新研究的研究人員開發了一種機器學習演算法，以搜索人眼並不總是能看到的模式和相關性。這類似於觀察火車站的人流，起初它看起來隨機，但如果仔細觀察，會發現家人一起旅行，商人一起開會等等。該演算法找出了一個形狀類似烏龜的關聯：圍繞一個中心源的圓環，形成「殼」，還有兩個延伸的點，分別是「頭」和「尾」。如果你看到一個粒子朝一個方向運動，總會有另一個粒子以45度角運動。本質上，這是一系列的鏈式反應：第一個粒子在靠近源的地方相互作用，相互碰撞;。當這些粒子相互作用時，下一個環就形成了，以此類推。

這種現象背後的物理現象被稱為高諧波產生。從本質上說，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。用傳統的相關方法確認了模式識別，這是通過觀察每一對原子之間的關係來實現的，這比先前發現的模式要複雜得多。科學家們認為，機器學習在揭示量子力學研究中的新現象方面可能非常有用。識別模式一直是科學的第一步，所以這種機器學習可以識別隱藏的關係和特徵，尤其是當我們試圖理解含有大量粒子的系統時。對這些行為的更深入理解，有朝一日可能會應用到技術中，比如讓量子網路的覆蓋範圍擴大到更遠距離的方法。

博科園-科學科普｜研究/來自: 芝加哥大學

參考期刊文獻:《Science》

DOI: 10.1126/science.aat5008

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