Per KI zu besseren Detektoren für Gravitationswellen

Bereits vor über einem Jahrhundert sagte Albert Einstein die Gravitationswellen theoretisch vorher. Direkt nachgewiesen werden konnten sie erst 2016, weil die Entwicklung der nötigen Detektoren äußerst komplex ist. Mario Krenn, Leiter der Forschungsgruppe „Labor für künstliche Wissenschaftler“ am MPI für die Physik des Lichts, hat in Kollaboration mit dem Team des „Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory“ den KI-basierten Algorithmus „Urania“ konzipiert, der neuartige interferometrische Detektoren für Gravitationswellen entwirft.

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Keine Mini-Detektoren für Gravitationswellen

Interferometrie beschreibt ein Messverfahren, das die Interferenz von Wellen nutzt. Das Design von Detektoren erfordert die Optimierung sowohl des Layouts als auch der Parameter. Die Wissenschaftler haben diese Herausforderung in ein kontinuierliches Optimierungsproblem umgewandelt und es mit Methoden gelöst, die auf modernen maschinellen Lerntechniken basieren. Die Forscher haben viele neue experimentelle Designs gefunden, die die besten bekannten Detektoren der nächsten Generation übertreffen. Diese Ergebnisse haben das Potenzial, die Reichweite der detektierbaren Signale um mehr als eine Größenordnung zu verbessern.

In den Lösungen des Algorithmus haben die Forscher zahlreiche bekannte Techniken wiederentdeckt. Aber „Urania“ schlug 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 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. Fünfzig der leistungsstärksten Entwürfe haben sie in einem öffentlichen „Detektor-Zoo“ gesammelt und so der Wissenschaftscommunity zur weiteren Erforschung zur Verfügung gestellt.

Die Studie zeigt, dass KI neuartige Detektordesigns entdecken und damit menschliche Forscher 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.

MPL / RK