麻省理工學(xué)院物理學(xué)家開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)有朝一日可以提供一種定制設(shè)計(jì)具有所需特性的多層納米粒子的方法，可用于顯示器，隱形系統(tǒng)或生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。它也可以幫助物理學(xué)家解決各種棘手的研究問(wèn)題，在某些情況下可能比現(xiàn)有方法快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

該創(chuàng)新使用計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，一種人工智能，“學(xué)習(xí)”納米粒子的結(jié)構(gòu)如何影響其行為，在這種情況下，基于成千上萬(wàn)的訓(xùn)練樣例，它散布不同顏色的光。然后，在學(xué)習(xí)了這種關(guān)系之后，該程序基本上可以向后運(yùn)行以設(shè)計(jì)具有所需光散射特性的粒子 - 一個(gè)稱為逆設(shè)計(jì)的過(guò)程。

研究結(jié)果發(fā)表在“ 科學(xué)進(jìn)展 ”雜志上，麻省理工學(xué)院高級(jí)研究員John Peurifoy，研究會(huì)員沉一辰，研究生李靜，物理學(xué)教授Marin Soljacic和另外五篇。

Soljacic說(shuō)，雖然這種方法最終可能導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用，但這項(xiàng)工作主要是科學(xué)上的興趣，作為一種預(yù)測(cè)各種納米工程材料的物理特性的方法，而不需要通常用于解決這些問(wèn)題的計(jì)算密集型模擬過(guò)程。

Soljacic說(shuō)，目標(biāo)是研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)領(lǐng)域近年來(lái)已經(jīng)取得了很多進(jìn)展并產(chǎn)生了興奮，看到“我們是否可以使用其中的一些技術(shù)來(lái)幫助我們進(jìn)行物理研究。所以基本上，計(jì)算機(jī)是否“足夠智能”，以便他們可以做一些更聰明的任務(wù)來(lái)幫助我們理解和使用某些物理系統(tǒng)?“

Shen解釋說(shuō)，為了測(cè)試這個(gè)想法，他們使用了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的物理系統(tǒng)。“為了理解哪些技術(shù)適合并理解限制以及如何最好地使用它們，我們[在一個(gè)特定的系統(tǒng)上使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)]納米光子學(xué)，一個(gè)球形同心納米粒子系統(tǒng)。” 納米顆粒像洋蔥一樣分層，但每層由不同的材料制成并具有不同的厚度。

納米顆粒具有與可見(jiàn)光波長(zhǎng)相當(dāng)或更小的尺寸，并且不同顏色的光從這些顆粒散射的方式取決于這些層的細(xì)節(jié)和入射光束的波長(zhǎng)。計(jì)算多層納米粒子的所有這些效應(yīng)對(duì)于多層納米粒子來(lái)說(shuō)可能是一項(xiàng)密集的計(jì)算任務(wù)，隨著層數(shù)的增加，復(fù)雜性變得更加嚴(yán)重。

研究人員希望看看神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是否能夠預(yù)測(cè)新粒子散射光的顏色的方式 - 不僅僅是通過(guò)在已知例子之間進(jìn)行插值，而是通過(guò)實(shí)際計(jì)算出一些允許神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推斷的基礎(chǔ)模式。

“模擬是非常精確的，所以當(dāng)你將它們與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較時(shí)，它們都會(huì)逐點(diǎn)相互重現(xiàn)，”Peurifoy說(shuō)，他明年將成為麻省理工學(xué)院的博士生。“但它們?cè)跀?shù)值上非常密集，因此需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。我們想要看到的是，如果我們向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)展示這些粒子，許多不同粒子的一堆例子，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是否可以發(fā)展'直覺(jué)'為它。“

果然，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠合理地預(yù)測(cè)光散射與波長(zhǎng)圖的確切模式 - 不完美，但非常接近，并且在更短的時(shí)間內(nèi)完成。Jing說(shuō)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬“現(xiàn)在比精確模擬快得多”。“所以現(xiàn)在你可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而不是真正的模擬，它會(huì)給你一個(gè)相當(dāng)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。但它帶來(lái)了價(jià)格，而且價(jià)格是我們必須首先訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且為了要做到這一點(diǎn)，我們必須制作大量的例子。“

但是，一旦網(wǎng)絡(luò)被訓(xùn)練，任何未來(lái)的模擬都將獲得加速的全部好處，因此對(duì)于需要重復(fù)模擬的情況，它可能是一個(gè)有用的工具。但該項(xiàng)目的真正目標(biāo)是了解方法，而不僅僅是這個(gè)特定的應(yīng)用程序。“我們對(duì)這個(gè)特定系統(tǒng)感興趣的主要原因之一是讓我們了解這些技術(shù)，而不僅僅是模擬納米粒子，”Soljacic說(shuō)。

下一步是基本上反向運(yùn)行程序，使用一組所需的散射屬性作為起點(diǎn)，看看神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是否可以計(jì)算出實(shí)現(xiàn)該輸出所需的納米粒子層的精確組合。

“在工程領(lǐng)域，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多不同的技術(shù)用于逆向設(shè)計(jì)，這是一個(gè)巨大的研究領(lǐng)域，”Soljacic說(shuō)。“但是經(jīng)常為了設(shè)置一個(gè)給定的逆設(shè)計(jì)問(wèn)題，需要花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，所以在很多情況下你必須成為該領(lǐng)域的專家，然后有時(shí)甚至花幾個(gè)月來(lái)設(shè)置它以解決它。”

但是在團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練有素的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的情況下，“我們沒(méi)有為此做任何特別的準(zhǔn)備。我們說(shuō)，'好吧，我們?cè)囍屗蚝筮\(yùn)行。' 令人驚訝的是，當(dāng)我們將它與其他更標(biāo)準(zhǔn)的逆向設(shè)計(jì)方法進(jìn)行比較時(shí)，這是最好的方法之一，“他說(shuō)。“它實(shí)際上比傳統(tǒng)的逆向設(shè)計(jì)更快。”

共同作者沉說(shuō)：“我們必須做的最初動(dòng)機(jī)是建立一個(gè)通用的工具箱，任何一個(gè)不是光子學(xué)專家的普通受過(guò)良好教育的人都可以使用....這是我們最初的動(dòng)機(jī)，它對(duì)于這個(gè)特殊情況，顯然效果很好。“

某些逆設(shè)計(jì)模擬的加速可能非常顯著。Peurifoy說(shuō)：“很難進(jìn)行蘋(píng)果對(duì)蘋(píng)果的精確比較，但你可以有效地說(shuō)你的收益大約有數(shù)百倍。所以收益非?？捎^ - 在某些情況下它會(huì)從幾天到幾天分鐘。”