米研究所のAI研究員が「LED制御」の革新的定理を5時間で発見した
対して、我々の身近にあるLEDは安価で小型、高効率だ。しかし、LEDが放つ光は「インコヒーレント（非干渉）」であり、自然放出（Spontaneous Emission）と呼ばれるプロセスで生成される。これは、電球の光のようにあらゆる方向に勝手に散らばってしまう光だ。この「暴れ馬」のような光を、レーザーのように一方向に集中させて飛ばす（ステアリングする）ことは、物理学において長年の宿題となっていた。
メタサーフェスという土俵自律駆動型ラボ（Self-driving Lab）の構築
創造するAI：変分オートエンコーダ（VAE）最初のAIは「発想」を担当する。変分オートエンコーダ（VAE: Variational Autoencoder）と呼ばれる生成モデルだ。メタサーフェスの制御パターンは高次元で複雑極まりないが、VAEはこの複雑なデータを圧縮し、扱いやすい「潜在空間（Latent Space）」へと変換する。これにより、人間では想像もつかないような複雑かつ多様な光の制御パターンを生成することが可能になった。
実験するAI：能動学習エージェント（Active Learning Agent）2番目のAIは「実験計画」を担当する。ガウス過程回帰（Gaussian Process Regression）に基づいた能動学習エージェントだ。このAIは、VAEが生成したパターンを実際に実験装置（空間光変調器とメタサーフェス）に入力し、得られた結果（光がどれだけ指向性を持ったか）を評価する。そして、「次はどのパターンを試せば最も性能が上がるか」を確率的に計算し、次の実験を自ら実行する。
AIが発見した「新しい物理」
AIが導き出した制御パターンは、従来の人間が設計した最高性能のパターンと比較して、光の指向性を4倍（最大ピーク時）に向上させたのである。 さらに、74度という広い視野角全体にわたって、平均して2.2倍の効率で光を制御することに成功した。
ブラックボックス問題への挑戦 翻訳するAI：数式学習器（Equation Learner）そこで彼らが導入したのが、3番目のAI、「数式学習器（Equation Learner）」である。このAIは、実験結果のデータパターンを解析し、それを人間が理解できる「物理方程式」に逆翻訳する役割を担う「ファクトチェッカー」だ。ニューラルネットワークの重みを剪定していくことで、複雑なネットワークをシンプルな数式へと蒸留する技術が使われた。
AIが見つけた「レンズ＋回折格子」の定理これまで、メタサーフェスで光を曲げる際、物理学者たちは「運動量整合（Momentum Matching）」という原理に基づいて設計を行っていた。これは、フーリエ光学の常識に基づき、単純な周折格子（のこぎり波状のパターン）を使って光を屈折させるアプローチだ。
しかし、AIが発見した最適解は違っていた。AIは、「空間的な勾配（Grating/回折格子）」だけでなく、「空間的な曲率（Curvature/レンズ）」を同時に組み合わせる手法を発見したのだ。
- 人間の直感: 光を曲げるには、プリズムのような勾配をつければいい。
- AIの発見: 勾配（プリズム）に加えて、曲率（レンズ）の性質を持つパターンを合成することで、インコヒーレントな光を劇的に効率よく制御できる。
具体的には、「正のレンズ（凸レンズ）」の位相プロファイルと、「正の回折格子」のプロファイルを足し合わせた複雑な波形をメタサーフェスに入力することで、かつてない指向性が得られることをAIは突き止めた。これは、従来のフーリエ光学の教科書には載っていない、自然放出光制御のための新しい設計指針である。
科学的方法のアップデート
一般的なGPUで実現可能この「自律駆動型ラボ」を動かしていたのは、スーパーコンピュータではない。Lambda Labsのワークステーションに搭載された、3枚のNVIDIA RTX A6000 GPUだ。これは、多くの大学の研究室で導入可能なレベルの計算資源である。この事実は、今後世界中の実験室で、物理学、化学、材料科学の分野において「AI研究員」の雇用が進むことを意味している。
解釈可能なAIの勝利光の未来とホログラフィック社会への道
論文
- Nature Communications: Self-driving lab discovers principles for steering spontaneous emission beyond conventional Fourier optics
参考文献
- Sandia National Laboratories: Physicists employ AI labmates to supercharge LED light control