Generating is not discovering: a pre-registered physics judge for AI-proposed superconductors, calibrated on six known superconductors and one negative control

دخل البحث عن الموصلات الفائقة الجديدة — وهي مواد تنقل الكهرباء دون مقاومة — عصرًا جديدًا حيث يُطلب من الذكاء الاصطناعي تخيلها. لعقود من الزمن، عرف العلماء أنه لكي تصبح المادة موصلًا فائقًا، يجب أن تترابط إلكتروناتها بطريقة محددة، ويجب أن تكون المادة قوية بما يكفي ليتم سحبها على شكل سلك للاستخدام العملي. مؤخرًا، بدأت نماذج حاسوبية قوية في توليد الملايين من الهياكل البلورية الجديدة، مدعية أنها مستقرة وواعدة. ومع ذلك، لا يزال هناك سؤال جوهري بلا إجابة: هل تمتلك هذه الأفكار المولدة حاسوبيًا الخصائص الفيزيائية اللازمة للعمل حقًا، أم أنها مجرد أشكال مستقرة رياضيًا تفشل عند اختبارها ضد قوانين الفيزياء؟ لقد افتقر هذا المجال إلى طريقة معيارية للتحقق مما إذا كان بإمكان المادة المقترحة حقًا أن تزاوج إلكتروناتها وتنجو في رحلتها من مختبر الأبحاث إلى التطبيق الواقعي.

قام رينالدو إيناسيو، وهو باحث مقيم في ساو باولو، ببناء نظام اختبار صارم للإجابة على هذا السؤال. وقد أطلق عليه اسم "القاضي الفيزيائي". وخلافًا للطرق السابقة التي تكتفي بالتحقق مما إذا كان الهيكل متماسكًا، يقوم هذا القاضي بمحاكاة السلوك المعقد للإلكترونات لمعرفة ما إذا كانت ستترابط وتُشكل حالة التوصيل الفائق. يأخذ النظام هيكلًا بلوريًا كمدخلات ويمرره عبر سلسلة من سبع مراحل صارمة. أولًا، يحسب البنية الإلكترونية للمادة. بعد ذلك، يبني نموذجًا مبسطًا لتتبع كيفية حركة الإلكترونات. ثم، يحسب كيفية استجابة المادة للتقلبات المغناطيسية، وهي القوى التي غالبًا ما تسبب ترابط الإلكترونات في الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية. وأخيرًا، يتحقق مما إذا كان يمكن تحويل المادة إلى سلك، من خلال النظر في عوامل مثل كيفية سلوك الإلكترونات عند الحدود بين البلورات وكيفية تعامل المادة مع الإجهاد. وتخضع كل خطوة لقواعد محددة مسبقًا، والعملية برمتها مصممة لتكون شفافة وقابلة للتكرار، مع تسجيل كل عملية حسابية بحيث يمكن لأي شخص التحقق من النتيجة.

ولإثبات كفاءة هذا القاضي، اختبره الباحث أولاً على ستة موصلات فائقة معروفة، بما في ذلك مواد مثل النيوبيوم ومركب يعتمد على النحاس يسمى YBa2Cu3O7. وقبل تشغيل الحسابات، كتب بالضبط ما يجب أن يجده القاضي لكل مادة، منشئًا بذلك مجموعة من "مفاتيح الإجابة". نجح النظام في تحديد سلوك الترابط الصحيح لجميع المواد الست المعروفة، مما أكد قدرته على التعرف على فيزياء الموصلات الفائقة الحقيقية. كما حدد القاضي بشكل صحيح "عينة ضابطة سلبية": وهي مادة تشبه إلى حد كبير موصلًا فائقًا معروفًا ولكنها لا تعمل كموصل فائق في الواقع. فعندما حلل القاضي هذه المادة غير الموصلة فائقًا، حدد بشكل صحيح أن الإلكترونات لن تترابط، رغم أن هيكل المادة كان مشابهًا جدًا لهيكل مادة عاملة. أظهر هذا أن القاضي حساس بما يكفي للتمييز بين المواد التي تعمل وتلك التي لا تعمل، بناءً على الاختلافات الدقيقة في تفاعلاتها الإلكترونية.

استخدم الباحث هذا القاضي بعد ذلك لمراجعة مخرجات أنظمة توليد الذكاء الاصطناعي الحالية. فحص آلاف الهياكل المقترحة من قبل أنظمة الذكاء الاصطناعي وأجرى عليها "القاضي الفيزيائي". كانت النتائج صارخة؛ فعندما حلل القاضي 1,248 هيكلًا جديدًا تم توليدها بواسطة نظام ذكاء اصطناعي يسمى MatterGen، وجد صفر مرشح يكون جديدًا وقادرًا في آن واحد على حمل نوع ترابط الإلكترونات المحدد اللازم للسلك. وبالمثل، عندما فحص القاضي أكثر من 47,000 مركب من قاعدة بيانات عامة، وجد أنه بينما امتلك الكثير منها الشكل الهندسي الصحيح، إلا أنها افتقرت إلى القوة الإلكترونية اللازمة لتصبح موصلات فائقة. وخلصت الدراسة إلى أن الجيل الحالي من أدوات الذكاء الاصطناعي ممتاز في إيجاد الأشكال المستقرة، لكنه ليس بارعًا بعد في اكتشاف فيزياء جديدة. فالذكاء الاصطناعي يعيد أساسًا اكتشاف المواد التي يعرفها العلماء بالفعل، أو يقترح هياكل تبدو واعدة على الورق ولكنها تفشل في الاختبار الفيزيائي لترابط الإلكترونات.

تجادل الورقة البحثية بأن عنق الزجاجة في اكتشاف الموصلات الفائقة الجديدة لم يعد القدرة على توليد الأفكار، بل القدرة على الحكم عليها. وتكلفة تشغيل هذا القاضي الفيزيائي على مادة جديدة منخفضة بشكل مفاجئ، حيث تُقدر بأقل من 200 دولار أمريكي من تكاليف الحوسبة السحابية للدراسة بأكملها. ويقترح الباحث أن يتبنى المجتمع العلمي هذا القاضي كمعيار عام. فقبل الاحتفال بأي مادة جديدة مولدة بالذكاء الاصطناعي باعتبارها اكتشافًا، يجب تمريرها عبر هذا الاختبار لمعرفة ما إذا كانت تمتلك حقًا الفيزياء اللازمة للقيام بالمهمة. وإلى أن يتم تطبيق مثل هذا الاختبار، ستظل آلاف الهياكل "المستقرة" التي يقترحها الذكاء الاصطناعي أفكارًا غير مثبتة. وتشير الدراسة إلى أن الاكتشاف الحقيقي لن يحدث إلا عندما يقترن توليد الأفكار الجديدة بفلتر صارم قائم على الفيزياء يمكنه قول "لا" للمواد التي لا يمكنها العمل، مما يضمن تركيز الجهود المستقبلية فقط على المرشحين الذين لديهم فرصة حقيقية ليصبحوا الجيل القادم من أسلاك التوصيل الفائق.