Шведская королевская академия наук разделила Нобелевскую премию по химии за 2024 год между Дэвидом Бейкером (David Baker) из Университета Вашингтона и Демисом Хассабисом (Demis Hassabis) и Джоном Джампером (John Jumper) из Google Deep Mind за создание машинных алгоритмов по предсказанию структуры белков. Поскольку оба достижения направлены на изучение белков — кирпичиков биологической жизни на Земле — эта работа учёных бесценна.

Источник изображения: nobelprize.org

Машинное обучение и искусственный интеллект снова отметились престижной наградой. Вчера стало известно о нобелевских лауреатах по физике за 2024 год, которыми стали создатели нейросетей и алгоритмов. Произошло это не вдруг. Массовое понимание перспектив машинного обучения было взбудоражено чуть более года назад множественными образцами «нейроарта». И теперь многие осознали, насколько это может быть захватывающе и полезно.

Демис Хассабис и Джон Джампер с коллегами из Deep Mind представили платформу AlphaFold широкой общественности в 2018 году. С тех пор вышло несколько версий программы вплоть до третьей в мае этого года. До появления AlphaFold биологи и химики фактически вручную прогнозировали объёмные структуры белков. Все они состоят примерно из двух десятков аминокислот. В зависимости от последовательностей соединений итоговый белок примет в пространстве ту или иную уникальную конфигурацию.

Белок будет полезным, если его форма подойдёт как ключ к замку к тому или иному соединению, живой клетке или её элементу. Тогда он сможет присоединиться и прореагировать. Это позволяет открывать новые лекарства, ферменты и многое другое в биологии и химии. Но предсказать 3D-форму новых белков среди сотен миллионов вариантов — это непосильная для человеческого ума задача. Программа AlphaFold играючи предсказала пространственную форму всех уже известных науке 200 млн белков и готова предсказывать форму не существующих в природе соединения аминокислот.

Дэвид Бейкер делал эту работу за многие годы до появления AlphaFold. Он создал абсолютно новый и ни на что не похожий белок ещё в 2003 году, чем также заслужил признание со стороны Комитета нобелевской премии. В этом году награда нашла героев. Необычным, полезным и жизненно важным белкам — быть.

В основе ряда нейронных сетей, алгоритмов машинного обучения и искусственного интеллекта лежат глубокие открытия в области физики, о чём сегодня заявили представители Нобелевского комитета Каролинского института Стокгольма. Премия 2024 года за эти заслуги присуждена физику Джону Хопфилду (John Hopfield) и математику Джеффри Хинтону (Geoffrey Hinton).

Источник изображения: nobelprize.org

Джон Хопфилд родился 15 июля 1933 года, а докторскую степень по физике он получил в 1958 году в Корнеллском университете. Джеффри Хинтон родился 6 декабря 1947 года, а в 1978 году получил докторскую степень в Эдинбургском университете в сфере ИИ. Интересно отметить, что Хинтон приходится правнуком известному британскому математику Джорджу Булю (1815–1864). Сейчас он сотрудник Университета Торонто, Канада.

Оба начали плотно работать над нейронными сетями с начала 80-х годов прошлого века. Джон Хопфилд стал известен в 1982 году как изобретатель ассоциативной нейронной сети, получившей его имя. Хинтон изобрёл метод, который позволял автоматизировать процесс извлечения данных для идентификации элементов изображений. Где во всём этом физика?

Для создания нейросети Хопфилд воспользовался известным свойством атомов стремиться к наименьшему значению их энергии. Сеть Хопфилда описывается способом, эквивалентным поведению энергии в системе атомных спинов. Обучение происходит путем нахождения таких значений для соединений между узлами сети, чтобы сохранённые изображения имели низкую энергию. Тогда поиск сводится к такой обработке соединений между узлами, после которой энергия сети снижалась, и это вело бы к обнаружению наилучшего соответствия.

Джеффри Хинтон использовал сеть Хопфилда в качестве основы для новой сети, использующей другой метод: машину Больцмана. С её помощью можно научиться распознавать характерные элементы в данных конкретного типа. Для этого Хинтон использовал инструменты статистической физики, науки о системах, построенных из множества похожих компонентов. Машина обучается путем подачи ей примеров, которые с большой вероятностью могут возникнуть при запуске машины. Машина Больцмана может использоваться для классификации изображений или создания новых примеров (рисунков), на которых она была обучена.

«Работа лауреатов уже принесла наибольшую пользу. В физике мы используем искусственные нейронные сети в широком спектре областей, таких как разработка новых материалов с определенными свойствами», — прокомментировала награждение Эллен Мунс (Ellen Moons), председатель Нобелевского комитета по физике.

Нобелевская премия по химии в 2023 году присуждена учёным из США Мунги Бавенди (Moungi G. Bawendi), Луису Брюсу (Louis E. Brus) и выходцу из СССР Алексею Екимову за открытие и разработку квантовых точек — наночастиц настолько малых, что их свойства определяются размерами.

Мунги Бавенди, Луис Брюс, Алексей Екимов (слева направо). Источник изображения: nobelprize.org

Квантовые точки, которые в Шведской королевской академии наук охарактеризовали как «мельчайшие компоненты нанотехнологий», — это полупроводниковые частицы размером в несколько нанометров. При возбуждении они способны к флуоресценции в широком диапазоне спектра. В силу небольшого размера этих точек их оптические свойства определяются квантовыми эффектами. Преимуществами квантовых точек являются яркость и высокая фотостабильность, то есть они не «выгорают» как флуоресцентные красители.

Квантовые точки используются в мониторах и телевизорах — они способствуют повышению качества изображения. Эти элементы применяются при производстве светодиодных ламп и в молекулярной медицине. Они также могут использоваться при создании нейросетей и квантовых компьютеров.

Алексей Екимов родился в СССР в 1945 году и окончил физический факультет Ленинградского государственного университета. В 1981 году он впервые получил квантовые точки из хлорида меди, будучи сотрудником Государственного оптического института имени Вавилова в Ленинграде. Он продемонстрировал, что излучаемый ими цвет зависит от их размера из-за квантовых эффектов. Уже долгое время господин Екимов является сотрудником американской компании Nanocrystals Technology.

Луис Брюс родился в США в 1943 году. В 1983 году он впервые получил коллоидный раствор квантовых точек. Мунги Бавенди родился во Франции в 1961 году. В 1993 году ему удалось усовершенствовать химическое производство квантовых точек и получить почти идеальные частицы. Учёный разработал технологию синтеза монодисперсных растворов квантовых точек заданного размера.

В 2023 году Нобелевская премия по физике присуждена Анн Л'Юилье (Anne L’Huillier), Ференцу Краусу (Ferenc Krausz) и Пьеру Агостини (Pierre Agostini) «за экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электрона в материи».

Пьер Агостини, Ференц Краус и Анн Л'Юилье (слева направо). Источник изображения: nobelprize.org

Шведская королевская академия наук подчеркнула заслуги этих учёных в генерации коротких световых импульсов, которые помогут в изучении электронов — в этом масштабе события происходят за несколько десятых долей аттосекунды, или 10^-18 с. В одной секунде столько же аттосекунд, сколько секунд прошло с момента рождения Вселенной. Лауреатам удалось создать аттосекундные импульсы, которые помогут фиксировать изображения процессов внутри атомов и молекул — «открыть дверь в мир электронов», как выразилась глава нобелевского комитета по физике Ева Олссон (Eva Olsson). На практике эти импульсы окажутся полезными в электронике и медицине.

Анн Л'Юилье служит профессором физики в Лундском университете (Швеция). В 1987 году она открыла образование обертонов света при прохождении инфракрасного лазерного излучения через инертный газ — лазер сообщает электронам дополнительную энергию, которая излучается в виде света. В 2003 году это открытие помогло профессору сгенерировать рекордно короткий импульс продолжительностью 170 аттосекунд.

Пьер Агостини из университета штата Огайо (США) в 2001 году запустил серию импульсов продолжительностью по 250 аттосекунд. Ференц Краус, работающий в Мюнхенском университете имени Людвига и Максимилиана (ФРГ) сгенерировал и измерил первый в истории искусственный аттосекундный импульс, положивший начало аттофизике — его продолжительность составила 650 аттосекунд.