修改記憶，忘掉創(chuàng)傷
機(jī)器學(xué)習(xí)是驅(qū)動(dòng)人工智能革命的研究領(lǐng)域，在現(xiàn)代科技中已經(jīng)建立了牢固的地位。其中的工具和技術(shù)已經(jīng)促進(jìn)了各行各業(yè)的快速進(jìn)步，從自主駕駛汽車和語音識(shí)別到精通古代桌面游戲。
現(xiàn)在，物理學(xué)家開始利用機(jī)器學(xué)習(xí)工具處理一種不同類別的問題，一種量子物理的核心問題。在近期發(fā)表在物理評(píng)論X上的論文中，來自聯(lián)合量子研究所(JQI)和馬里蘭大學(xué)凝聚物理論中心(CMTC)的研究者表明，特定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能簡潔地描述大范圍量子系統(tǒng)。
JQI博士后研究員、CMCT成員、論文第一作者Dongling Deng稱，利用計(jì)算機(jī)研究量子系統(tǒng)的研究人員可能從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供的簡單描述中獲益。“如果我們想數(shù)值化處理某些量子問題，我們首先需要找到一種有效的表征方式?！?span style="display:none">0QT菜譜美食網(wǎng)-眾歸云 - 24小時(shí)不關(guān)機(jī)的云端電腦_云主機(jī)_VPS掛機(jī)寶_免費(fèi)掛機(jī)寶_0.1元試用,3-5元月租服務(wù)器提供
在紙上和更重要的計(jì)算機(jī)上，物理學(xué)家有很多表示量子系統(tǒng)的方式。通常這些表示包含一列描述系統(tǒng)可能會(huì)處于不同量子態(tài)可能性的數(shù)字。但隨著量子粒子數(shù)目增大，從數(shù)字描述中提取性質(zhì)或進(jìn)行預(yù)測就變得困難了，通常認(rèn)為量子糾纏是阻撓簡單表示的關(guān)鍵。
Deng和他的合作者們——CMTC主任和JQI研究員Sankar Das Sarma以及復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)家Xiaopeng Li使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能有效表示具有大量量子糾纏的量子系統(tǒng)，相比先前的方法是驚人的進(jìn)步。
此外，新成果不僅限于單純的表示。Das Sarma說道：“本研究是獨(dú)特的，不僅提供高度糾纏量子態(tài)的有效表示，還是一種利用機(jī)器學(xué)習(xí)工具尋找精確解的解決棘手的相互作用量子多體問題的新方式?！?span style="display:none">0QT菜譜美食網(wǎng)-眾歸云 - 24小時(shí)不關(guān)機(jī)的云端電腦_云主機(jī)_VPS掛機(jī)寶_免費(fèi)掛機(jī)寶_0.1元試用,3-5元月租服務(wù)器提供
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及伴生的學(xué)習(xí)技術(shù)催生了AlphaGo，去年擊敗了世界上的頂尖圍棋選手(今年再次擊敗了)。這些新聞使Deng這位棋盤游戲的狂熱粉絲感到激動(dòng)。去年，大約就在AlphaGo的勝利之時(shí)，出現(xiàn)了一篇提出利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示量子態(tài)的論文，但沒有給出這種工具所能達(dá)到的精確范圍的指示。Deng說道：“我們立即意識(shí)到這是一篇非常重要的論文，所以我們把所有精力和時(shí)間都投入到進(jìn)一步研究這個(gè)問題之中。”
新成果是對(duì)特定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表達(dá)量子態(tài)能力的更全面考量。特別地，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)使用兩個(gè)不同組神經(jīng)元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究。第一組被稱為可見神經(jīng)元，表示真實(shí)量子粒子，比如光學(xué)晶格中的原子或者鏈中的離子。為了表示粒子之間的相互作用，研究者利用第二組神經(jīng)元——隱藏神經(jīng)元與可見神經(jīng)元連接。這些連接表示了真實(shí)粒子之間的物理相互作用，只要連接數(shù)保持相對(duì)較小，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)描述就能保持簡單。
對(duì)每個(gè)連接指定一個(gè)數(shù)字并數(shù)學(xué)上遺忘這些隱藏神經(jīng)元就能產(chǎn)生眾多有趣量子態(tài)的壓縮表示，包括具有拓?fù)涮匦院湍承┚哂畜@人數(shù)目糾纏的狀態(tài)。
除了作為一種數(shù)值模擬工具的潛力，新框架還使得Deng和和作者們證實(shí)了某些關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示的量子態(tài)族的數(shù)學(xué)事實(shí)。例如，只有短程相互作用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即每個(gè)隱藏神經(jīng)元只與少部分可見神經(jīng)元連接，在總共糾纏上有嚴(yán)格的限制。這一技術(shù)結(jié)果被稱為面積定律，是許多凝聚態(tài)物理學(xué)家的研究追求。
不過這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不能表示一切。Deng說道：“只能表示有限的量子系統(tǒng)，無法提供有效的通用表示?！比绻茏龅竭@一點(diǎn)，這些網(wǎng)絡(luò)就能被用于在尋常計(jì)算機(jī)上模擬量子計(jì)算機(jī)，這也是物理學(xué)家和計(jì)算科學(xué)家認(rèn)為非常不可能的事情。不過值得肯定的是，這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的確能有效表達(dá)一些狀態(tài)，這些能表達(dá)的狀態(tài)與其他表示方法的重疊之處仍然是一個(gè)開放性問題，Deng認(rèn)為可以對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步的探索。
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