นักวิทยาศาสตร์อเมริกันพัฒนาระบบอัจฉริยะเพื่อปรับเทียบอุปกรณ์ควอนตัมโดยอัตโนมัติ เพื่อเร่งการคำนวณควอนตัมและการค้นหาสสารมืด

นักวิทยาศาสตร์อเมริกันกำลังพัฒนาตัวแทนอัจฉริยะชนิดหนึ่ง ซึ่งสามารถปรับเทียบอุปกรณ์ควอนตัมที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงได้โดยอัตโนมัติ เพื่อเร่งการคำนวณควอนตัมและการค้นหาสสารมืดที่ลี้ลับ ระบบปัญญาประดิษฐ์ (AI) นี้กำลังอยู่ระหว่างการทดสอบที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติแปซิฟิกตะวันตกเฉียงเหนือ (PNNL) ตั้งอยู่ในริชแลนด์ รัฐวอชิงตัน ตามรายงาน ตัวแทนดังกล่าวสามารถควบคุมพารามาตริกแอมปลิไฟเออร์ที่ถูกจำกัดโดยสัญญาณรบกวนควอนตัมได้ อุปกรณ์ไมโครเวฟที่มีสัญญาณรบกวนต่ำมากเหล่านี้ ใช้เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของสัญญาณอ่อนมากที่ถูกกำหนดโดยกลศาสตร์ควอนตัม โดยเกือบจะไม่เพิ่มสัญญาณรบกวนเพิ่มเติม นอกจากนี้ อุปกรณ์เหล่านี้ยังถูกใช้ในการทดลองค้นหาสสารมืด และระบบอ่านข้อมูลจากควอนตัมบิต (qubits) แบบซูเปอร์คอนดักติ้ง

AI ทำให้การปรับเทียบอุปกรณ์ควอนตัมเป็นอัตโนมัติ

อย่างไรก็ตาม การปฏิบัติการอุปกรณ์เหล่านี้โดยทั่วไปต้องอาศัยนักฟิสิกส์ที่มีทักษะชำนาญทำการตั้งค่าปรับเทียบและทดสอบผลลัพธ์ กระบวนการอาจใช้เวลานานหลายชั่วโมง เพื่อแก้ปัญหานี้ ทีมงานของ PNNL ที่นำโดย ดร. คริสเตียน บูตัน ได้เสนอระบบ AI เพื่อทำให้งานนี้เป็นอัตโนมัติ โครงการนี้ชื่อว่า AQUA-WOLF (ย่อมาจาก Autonomous Quantum Amplifier Workflow Optimization and Learning Framework) ได้รับการสนับสนุนจาก Genesis Mission ของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา

เทคโนโลยีใหม่นี้อาจสนับสนุนการทดลองสสารมืดแอ็กซิออน (ADMX) ซึ่งมุ่งค้นหอนุภาคสมมติที่เรียกว่าแอ็กซิออน การทดลองนี้เป็นเรื่องที่ค่อนข้างไม่ธรรมดาสำหรับเครื่องตรวจจับสสารมืด เนื่องจากไม่ได้ตั้งอยู่ลึกใต้ดิน ADMX ใช้ช่องโหว่ไมโครเวฟที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็กแรงสูงขนาดใหญ่ เพื่อค้นหาแอ็กซิออนสสารมืดเย็นในโคโรนาสสารมืดของดวงอาทิตย์ หากมันมีอยู่จริง ทีมหวังว่ามันจะเปลี่ยนเป็นโฟตอนไมโครเวฟ ซึ่งจะถูกจับได้โดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควอนตัมที่มีความไวสูง การทดลองนี้ต้องสแกนช่วงมวลแอ็กซิออนที่เป็นไปได้หลายช่วง ทำให้เวลาในการเก็บรวบรวมข้อมูลของอุปกรณ์มีความสำคัญอย่างยิ่ง

ตามคำพูดของ บูตัน การปรับเทียบแอมปลิไฟเออร์เป็น "แหล่งหลักของการเสียเวลา" ในกระบวนการค้นหา แต่นายเชื่อว่า AQUA-WOLF สามารถทำให้กระบวนการนี้เป็นอัตโนมัติผ่านการเรียนรู้แบบเสริมแรงได้ ตัวแทน AI จะเปลี่ยนการตั้งค่าด้วยตัวเองและเรียนรู้จากผลลัพธ์ โดยไม่ต้องพึ่งพานักฟิสิกส์ปรับเทียบแอมพลิไฟเออร์ซ้ำๆ อีกต่อไป

การใช้หลักฟิสิกส์ในการให้เหตุผล

ในเบื้องต้น นักวิจัยจะให้รางวัลระบบตามเกน (gain) ซึ่งวัดในหน่วยเดซิเบล เพื่อบอกระดับที่แอมพลิไฟเออร์เพิ่มความเข้มข้นของสัญญาณเข้า ต่อมา เป้าหมายคือขยายกระบวนการนี้ เพื่อพิจารณาปัจจัยอื่นๆ รวมถึงสัญญาณรบกวนและความมั่นคง นักวิทยาศาสตร์ยังจะทดสอบประสิทธิภาพของอัลกอริทึมหลายชนิด เพื่อกำหนดวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุด ในขณะเดียวกัน การทำให้กระบวนการทั้งหมดเป็นอัตโนมัติ อาจเป็นประโยชน์ต่อการคำนวณควอนตัมด้วย เนื่องจากแอมพลิไฟเออร์อ่านข้อมูลจากควอนตัมบิต (qubits) อย่างไรก็ตาม เมื่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีควอนตัมบิตถึงพันๆ การปรับเทียบพวกมันอาจกลายเป็นเรื่องยาก พวกเขายังวางแผนสอนตัวแทนเกี่ยวกับฟิสิกส์เบื้องหลังอุปกรณ์ และเข้ารหัสแฮมิลโตเนียนของระบบ (คณิตศาสตร์ที่อธิบายพลังงานของมัน) ลงในตัวแทน

ด้วยวิธีนี้ มันจึงสามารถตัดสินใจได้ตามหลักฟิสิกส์ แทนที่จะแค่สำรวจผ่านการลองผิดลองถูกกับการตั้งค่าต่างๆ

ดร. เอริก เลนทซ์ นักฟิสิกส์ของ PNNL ผู้สอนตัวแทน AI ให้ใช้หลักฟิสิกส์ในการให้เหตุผลและตัดสินใจ ระบุว่าอัลกอริทึมแบบดั้งเดิมในการสำรวจพื้นที่พารามิเตอร์ที่ใช้ได้ "ค่อนข้างไม่มีประสิทธิภาพ" เนื่องจากพารามาตริกแอมพลิไฟเออร์ทำงานด้วยหลักการที่คล้ายกัน AI จึงสามารถเรียนรู้การปรับเทียบอุปกรณ์ใหม่ได้ด้วยการฝึกอบรมน้อยกว่า ทีมวางแผนทดสอบบนฮาร์ดแวร์จริง เช่น แอมพลิไฟเออร์จาก NIST และปรับเทียบให้เข้ากับแอมพลิไฟเออร์อื่นๆ ซึ่งอาจถูกใช้ในการทดลองอย่าง ADMX ในที่สุด หากผ่านการตรวจสอบแล้ว PNNL วางแผนที่จะเผยแพร่ตัวแทน AI นี้เป็นซอฟต์แวร์โอเพนซอร์ส

ชุดข้อมูลของมันจะสนับสนุนโครงสร้างพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ร่วมของ Genesis Mission ด้วย นักวิจัยระบุในข่าวประชาสัมพันธ์ว่า "เป้าหมายไม่ใช่การนำนักวิทยาศาสตร์ออกจากห้องปฏิบัติการ แต่เป็นการให้พวกเขาไม่ต้องใช้เวลานานหลายชั่วโมงกับงาน瑣碎ที่น่าเบื่อ เพื่อให้พวกเขาสามารถใช้เวลามากขึ้นในการค้นพบอัศจรรย์ของจักรวาล"

ความสำคัญของการทำอัตโนมัติต่อการวิจัยควอนตัม

ความซับซ้อนของการคำนวณควอนตัมและการวิจัยสสารมืด ทำให้การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีอัตโนมัติมีความสำคัญอย่างยิ่ง ระบบ AI ของโครงการ AQUA-WOLF ไม่เพียงแต่เพิ่มประสิทธิภาพการดำเนินงาน แต่ยังลดการพึ่งพานักฟิสิกส์ผู้เชี่ยวชาญ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถมุ่งเน้นงานวิจัยที่สร้างสรรค์มากขึ้น ตามพัฒนาการของเทคโนโลยีควอนตัม ระบบอัตโนมัติแบบนี้จะช่วยเร่งการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ และอาจกลายเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการคำนวณควอนตัมและการสำรวจสสารมืดในอนาคต