Получение конденсата Бозе-Эйнштейна доверили компьютеру

Ученые научились применять систему искусственного интеллекта для контроля охлаждения конденсата Бозе—Эйнштейна. Об этом пишет журнал Scientific Reports.

Команда исследователей из Австралийского национального университета, Аделаидского университета и Австралийского университета Южного Уэльса охладила рубидий-87 до температуры 1 микрокельвин c помощью магнито-оптической ловушки и испарительного охлаждения. После этого атомы переместили в оптическую дипольную ловушку для последней стадии охлаждения и передали управление лазерами системе искусственного интеллекта. Принцип действия оптической дипольной ловушки основывается на том, что свет вызывает смещение энергетических уровней атома. Разность этой энергии сдвига вызывает возникновение дипольных сил. Если частота света меньше частотs резонанса в атоме, атом притягивается к области самой высокой интенсивности, которая дает наименьшее энергетическое состояние, а, значит, и температуру.

Систему искусственного интеллекта на базе языка программирования Python в ходе десяти пробных экспериментов обучили, как с помощью лазеров изменять различные параметры системы и эффективно охлаждать ее до более низких температур. В частности, один лазерный луч контролировался изменением силы тока, в то время как другой контролировался не только с помощью электрического тока, но и с помощью вращения волновой пластинки в сочетании с манипулированием поляризационным разделителем луча, что позволило дополнительно ослабить мощность лазера при сохранении стабильности его работы. Код, который использовали авторы работы, доступен на GitHub.

Главное требование к данной системе заключается в определении параметра, на основе которого будет происходить оценка ее работы. В данном случае авторы опирались на оптическую толщину газового облака — чем более четкими были его края, тем лучше, по оценкам системы, был полученный газ.

В итоге, манипулируя двумя лазерами, система смогла охладить рубидиевый газ до нанокельвина. Кроме того, система также самостоятельно настраивалась каждое утро и компенсировала изменения, произошедшие за ночь.

«Она делала вещи, до которых человек никогда бы не додумался, например, повышала или понижала мощность одного лазера и компенсировала это с помощью другого лазера», — комментирует один из ученых.

Использование системы искусственного интеллекта в данном случае, как пишут авторы в своей работе, позволяет значительно сократить число экспериментов, а также найти новые пути для получения более холодного конденсата Бозе-Эйнштейна или большего его количества. При работе «вручную» потребовалось бы больше времени для оптимизации системы. Кроме того, такая технология удешевляет и упрощает процесс получения конденсата Бозе—Эйнштейна. В данном исследовании ученые охлаждали 4 × 10⁷ атомов, однако в будущем они планируют воспроизвести эксперимент на бóльших масштабах.

Конденсат Бозе—Эйнштейна — это состояние вещества, предсказанное физиками Ш.Бозе и А.Эйнштейном. Основу этого конденсата составляют бозоны, охлажденные до температур, близких к абсолютному нолю (−273,15 градусов Цельсия). В таком состоянии атомы переходят на самый низкий энергетический уровень из всех возможных и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопических уровнях.

Кристина Уласович