“Нобелевскую премию по физике присудили за искусственные нейронные сети”

Два нобелевских лауреата этого года по физике использовали физические инструменты для разработки методов, которые являются основой современного мощного машинного обучения. Джон Хопфилд создал ассоциативную память, которая может сохранять и реконструировать изображения и другие типы паттернов в данных. А Джеффри Хинтон изобрел метод, который позволяет автономно находить свойства в данных и таким образом выполнять такие задачи, как идентификация определенных элементов на изображениях.

Когда мы говорим об искусственном интеллекте, мы часто подразумеваем машинное обучение с использованием искусственных нейронных сетей, говорится на сайте Нобелевской премии. Изначально эта технология была основана на структуре мозга. В искусственной нейронной сети нейроны мозга представлены узлами, которые имеют разные значения. Эти узлы влияют друг на друга посредством связей, которые можно сравнить с синапсами и которые можно усилить или ослабить. Сеть обучается, например, путем создания более сильных связей между узлами с одновременно высокими значениями. Лауреаты этого года провели важную работу с искусственными нейронными сетями начиная с 1980-х годов.

Джон Хопфилд изобрел сеть, которая использует метод сохранения и воссоздания узоров. Мы можем представить узлы в виде пикселей. Сеть Хопфилда использует физику, которая описывает характеристики материала, связанные с его атомным вращением – свойством, которое превращает каждый атом в крошечный магнит. Сеть в целом описывается способом, эквивалентным энергии в системе вращения, используемой в физике, и обучается путем нахождения значений для связей между узлами таким образом, чтобы сохраненные изображения имели низкую энергию. Когда сеть Хопфилда получает искаженное или неполное изображение, она методично обрабатывает узлы и обновляет их значения, чтобы снизить энергопотребление сети. Таким образом, сеть работает поэтапно, чтобы найти сохраненное изображение, которое больше всего похоже на несовершенное, с которым оно было передано.

Джеффри Хинтон использовал сеть Хопфилда в качестве основы для новой сети, использующей другой метод — машину Больцмана. С ее помощью можно научиться распознавать характерные элементы в данных определенного типа. Хинтон использовал инструменты статистической физики, науки о системах, построенных из множества схожих компонентов. Машина обучается, предоставляя ей примеры, которые, скорее всего, возникнут при запуске машины. Машина Больцмана может быть использована для классификации изображений или создания новых примеров того типа паттерна, на котором она была обучена. Хинтон опирался на эту работу, помогая инициировать бурное развитие машинного обучения в настоящее время.

“Работы лауреатов уже принесли наибольшую пользу. В физике мы используем искусственные нейронные сети в самых разных областях, таких как разработка новых материалов с особыми свойствами”, — говорит Эллен Мун, председатель Нобелевского комитета по физике.

В прошлом году, напомним, «нобелевку» по физике получили Пьер Агостини, Ференц Краус и Анна Л'Юилье за эксперименты, которые предоставили новые инструменты для исследования мира электронов внутри атомов и молекул. Эти ученые продемонстрировали способ создания чрезвычайно коротких импульсов света, которые можно использовать для измерения быстрых процессов, в ходе которых электроны перемещаются или изменяют энергию.

Как это повелось, в преддверии нобелевской недели различные эксперты дали прогнозы насчет «нобелевцев» по физике за 2024 год. Например, в швейцарской прессе высказывалась надежда, что Кристоф Гербер из Базельского университета может быть удостоен Нобелевской премии по физике за разработку атомно-силового микроскопа. Гербер представил этот микроскоп высокого разрешения в 1986 году. С помощью этого метода исследуемый объект не рассматривается через линзу, как при использовании светового микроскопа. Вместо этого по нему скользит что-то вроде щупа — крошечный наконечник на пружинящем стержне. Пружинный стержень отклоняется под действием сил притяжения и отталкивания, исходящих от молекул и атомов. Это отклонение регистрируется и преобразуется в цифровое изображение с помощью программного обеспечения. Атомно-силовая микроскопия имеет большое значение для различных областей исследований. Например, исследователи смогли использовать его для точного позиционирования отдельных атомов и, таким образом, создания новых структур, например для крошечных электронных компонентов или новых типов датчиков для медицинской диагностики.

А по версии американской компании Clarivate, неплохие шансы были у Рафи Бистрицера (Израиль), Аллана Макдональда из Техаса и Пабло Харилло-Эрреро из Массачусетса – «за новаторский теоретический и экспериментальный вклад в физику двухслойного графена, скрученного под магическим углом, и связанных с ним муаровых квантовых устройств».

А также у Дэвида Дойча из Оксфорда и профессора прикладной математики Массачусетского технологического института Питера Шора – «за революционный вклад в квантовые алгоритмы и вычисления».

Также названо имя вышеупомянутого швейцарского ученого Кристофа Гербера – «за изобретение и применение атомно-силовой микроскопии».

Напомним, имена номинантов, выдвинутых на соискание Нобелевской премии по физике, как и другая информация о номинациях, держатся в секрете и могут быть раскрыты только через пятьдесят лет. Процесс номинирования и отбора кандидатов начинается с того, что Нобелевский комитет по физике рассылает конфиденциальные формы компетентным личностям. Правом подачи предложений о присуждении «Нобелевки» по физике пользуются: шведские и иностранные члены Шведской королевской академии наук; члены Нобелевского комитета по физике; лауреаты Нобелевской премии по физике; профессора физических наук в университетах и ​​технологических институтах скандинавских стран, а также Каролинского института в Стокгольме и пр.

За отбор лауреатов отвечает Шведская королевская академия наук, назначающая рабочий орган (Нобелевский комитет по физике), который уже проверяет номинации и представляет предложения для определения окончательных кандидатов.

Всего с 1901 по 2023 год Нобелевская премия по физике присуждалась 117 раз, причем только в 47 случаях награда доставалась единственному лауреату, в остальных же случаях ее делили между несколькими учеными.

Таким образом, за прошедшие годы премию получили 225 человек, в их числе и американец Джон Бардин – единственный в истории дважды лауреатом «Нобеля» по физике (в первый раз он получил эту премию вместе с Уильямом Брэдфордом Шокли и Уолтером Браттейном в 1956 году, а во второй раз – в 1972 г. – наряду с Леоном Нилом Купером и Джоном Робертом Шриффером «за основополагающую теорию обычных сверхпроводников»).

Лауреатами премии по физике по состоянию на 2023 год стали лишь пять женщин.

Последней награжденной оказалась в прошлом году Анна Л'Юилье. До нее премии по физике удостоились Мари Кюри (она, как широко известно, получила не только награду по физике в 1903 году, но и премию по химии в 1911 году), Мария Гёпперт-Майер (ее наградили совместно с Хансом Йенсеном в 1963 г. «за открытия, касающиеся оболочечной структуры ядра»), Донна Стрикленд из Канады, награжденная в 2018 году за «поворотные изобретения в сфере лазерной физики», а также американка Андреа Гец в 2020 году.

Самым молодым лауреатом в этой номинации уже давным-давно остается австралиец Лоуренс Брэгг, получивший премию в 1915 году в 25-летнем возрасте вместе со своим отцом Уильямом Генри Брэггом за заслуги в исследовании кристаллов с помощью рентгеновских лучей. А самым возрастным из «нобелевцев» по физике в 2018 году сделался 96-летний Артур Эшкин.

Еще один любопытный факт из области статистики: почти каждый четвертый лауреат Нобелевской премии по физике – иммигрант, то есть умер или в настоящее время проживает не в стране своего рождения.

Нобелевскую премию по физике в прошлом получили несколько наших соотечественников. В 1958 г. были отмечены заслуги сразу трех ученых из СССР (Павел Черенков, Илья Франк и Игорь Тамм), в 1962 г. премию вручили Льву Ландау, а в 1964-м – Николаю Басову и Александру Прохорову. В 1978 г. Нобелевскую премию по физике присудили Петру Капице. В 2000 г. нобелевским лауреатом по физике стал Жорес Алферов, а в 2003 г. –  Алексей Абрикосов и Виталий Гинзбург. В 2010 г. лауреатами выбраны Андрей Гейм и Константин Новосёлов. 

Источник