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Mit KI zu neuen Detektordesigns?
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts
astronews.com
16. April 2025
Die Entdeckung von Gravitationswellen öffnete ein
neues Fenster zum Universum. Um sie zu beobachten, sind allerdings ultrapräzise
Detektoren erforderlich. Ein Forschungsteam hat jetzt eine künstliche
Intelligenz entwickelt, die den unvorstellbar großen Raum möglicher Designs
solcher Detektoren erkunden soll, um völlig neue Lösungen zu finden.
Illustration des
ersten Gravitationswellenereignisses, das von
LIGO beobachtet wurde. Die erfassten Wellenformen
von LIGO Hanford (orange) und LIGO Livingston
(blau) sind unter der künstlerischen Darstellung
der verschmelzenden Schwarzen Löcher aufgetragen.
Bild: Aurore Simmonet (Sonoma State
University) / Caltech / MIT / LIGO Laboratory [Großansicht] |
Bereits vor über einem Jahrhundert sagte Einstein die Gravitationswellen
theoretisch voraus. Direkt nachgewiesen werden konnten sie erst 2016, weil die
Entwicklung der nötigen Detektoren äußerst komplex ist. Dr. Mario Krenn, Leiter
der Forschungsgruppe "Labor für künstliche Wissenschaftler" am
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL), hat in Kollaboration mit
dem Team des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory
(LIGO), einen KI-basierten Algorithmus konzipiert. Dieser trägt den Namen
"Urania" und entwirft neuartige interferometrische Detektoren für
Gravitationswellen.
Interferometrie beschreibt ein Messverfahren, das die Interferenz von Wellen,
also deren Überlagerung beim Zusammentreffen, nutzt. Das Design von Detektoren
erfordert die Optimierung sowohl des Layouts als auch der Parameter. Die
Forschenden haben diese Herausforderung in ein kontinuierliches
Optimierungsproblem umgewandelt und es mit Methoden gelöst, die auf modernen
maschinellen Lerntechniken basieren. So wurden viele neue experimentelle Designs
gefunden, die die besten bekannten Detektoren der nächsten Generation
übertreffen könnten. Die Ergebnisse haben somit das Potenzial, die Reichweite
der detektierbaren Signale um mehr als eine Größenordnung zu verbessern.
In den Lösungen des Algorithmus hat das Team bereits zahlreiche bekannte
Techniken wiederentdeckt. "Urania" schlug aber auch unorthodoxe Designs vor, die
das Verständnis der Detektortechnologie verändern könnten. "Nach etwa zwei
Jahren der Entwicklung und Anwendung unserer KI-Algorithmen haben wir Dutzende
neuer Lösungen entdeckt, die besser zu sein scheinen als experimentelle Entwürfe
von menschlichen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Wir stellten uns die
Frage, was der Mensch im Vergleich zur Maschine übersehen hatte", sagt Krenn.
Die Forscherinnen und Forscher haben ihren wissenschaftlichen Ansatz
erweitert, um die von der KI entdeckten Tricks, Ideen und Techniken zu
verstehen. Viele davon sind ihnen noch immer völlig unverstanden. 50 der
leistungsstärksten Entwürfe haben sie in einem öffentlichen "Detektor-Zoo"
gesammelt und so der Wissenschaftscommunity zur weiteren Erforschung zur
Verfügung gestellt. Die kürzlich veröffentlichte Studie zeigt, dass KI neuartige
Detektordesigns entdecken und damit menschliche Forschende dazu anregen kann,
neue experimentelle und theoretische Ideen zu erkunden.
Im weiteren Sinne deutet sie darauf hin, dass KI eine wichtige Rolle bei der
Gestaltung zukünftiger Werkzeuge zur Erforschung des Universums spielen könnte,
von den kleinsten bis zu den größten Maßstäben. "Wir befinden uns in einer Ära,
in der Maschinen neue Lösungen in der Wissenschaft entdecken können, die besser
sind als die von Menschen erdachten, und die Aufgabe des Menschen besteht darin,
zu verstehen, was die Maschine getan hat. Dies wird sicherlich ein sehr
wichtiger Teil der Zukunft der Wissenschaft werden", so Krenn.
Die Ergebnisse des Teams wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Physical
Review X veröffentlicht.
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