Активационные функции для глубокого обучения построенные на основе обобщённых энтропий
Активационные функции для глубокого обучения построенные на основе обобщённых энтропий
Р. А. Рудаменко, А. М. Савченко, К. М. Семенов
Энтропия Шеннона (Больцмана--Гиббса) является фундаментом классической статистической механики и глубокого обучения, однако она имеет сложности с описанием динамики неэкстенсивных систем . В данной работе предлагается применение обобщённых энтропий для построения новых фундаментальных блоков в архитектурах глубоких нейронных сетей. Предложенный подход обобщает классический слой softmax с использованием параметрических энтропий Реньи, Тсаллиса и Шарма-Миттала. Параметры \(q\) и \(r\) контролируют форму распределения: при \(q \to 1\) оптимальное распределение сходится к softmax, а при \(q = 2\) --- к sparsemax. В частности, рассматривается вариант, соответствующий \(q\)-entmax, где адаптивность достигается изменением параметра \(q\) при фиксированном \(r\). Исследование включает получение аналитических выражений якобиана по параметрам \(q\) и \(r\) с целью оптимизации через методы явного дифференцирования. Проведен сравнительный анализ с существующими подходами --- softmax, sparsemax и entmax (при \(q \in \{1.25,1.5,1.75\}\)). Полученные результаты демонстрируют рост метрик качества относительно подходов с softmax, sparsemax и q-entmax для задачи классификации со скоррелированными метками классов, что позволяет сделать вывод о преимуществе метода на основе Шарма-Миттала для поставленной задачи.
Показать АннотациюКорреляции характеристик нейтронных звезд со свойствами нуклонных и гиперонных взаимодействий
Корреляции характеристик нейтронных звезд со свойствами нуклонных и гиперонных взаимодействий
А. И. Насакин$^{1,2}$, Д. Е. Ланской$^1$, С. А. Михеев$^{1,2}$, А. М. Потокин$^1$, Т. Ю. Третьякова$^{1,2}$
Появление гиперонов при плотностях, в несколько раз превышающих ядерную плотность, в центральной области массивных нейтронных звезд оказывает существеное влияние на их характеристики. В работе с использованием различных параметризаций сил Скирма рассчитаны уравнения состояния материи нейтронных звезд и проведен анализ возможных корреляций между наблюдаемыми характеристиками нейтронных звезд и свойствами нуклонных и гиперонных взаимодействий. Наиболее сильное влияние на значение плотности материи в точке появления $\Lambda$-гиперонов и, как следствие, на характеристики нейтронных звезд оказывает сжимающая способность $\Lambda N$-взаимодействия, характеризующая способность $\Lambda$-гиперона модифицировать нуклонный остов гиперядра. Связь между астрофизическими величинами и свойствами нуклонного взаимодействия при появлении гиперонов ослабевает, но в большинстве случаев сохраняется. Определяющими для максимальной массы нейтронной звезды являются несжимаемость ядерной материи, величины, отражающие поведение энергии симметрии при больших плотностях, а также сжимающая способность гиперонного взаимодействия.
Показать АннотациюВолновая функция и S-фактор нуклона в кварк-дикварковой модели с хромодинамическим взаимодействием
Волновая функция и S-фактор нуклона в кварк-дикварковой модели с хромодинамическим взаимодействием
Ю. Д. Черниченко
Получены конечно-разностная и интегральная формы релятивистских квазипотенциальных уравнений в конфигурационном представлении для волновой функции нуклона в рамках его кварк-дикварковой модели. В рамках этой модели нуклон рассматривается как двухчастичная составная система, в которой кварк имеет спин 1/2, а дикварк - спин 0. Найдены приближенные решения задачи рассеяния и спектральной задачи для радиальной волновой функции s-состояния нуклона в кварк-дикварковой модели с кулоновским (хромодинамическим) потенциалом. Определено условие квантования энергетических уровней нуклона, отвечающее кулоновскому хромодинамическому потенциалу. Получено выражение для релятивистского порогового ресуммирующего S-фактора нуклона и исследованы его свойства. Установлены закономерности поведения порогового S-фактора нуклона. Рассмотрение проведено в рамках релятивистского квазипотенциального подхода, основанного на ковариантной гамильтоновой формулировке квантовой теории поля, путем перехода от импульсной формулировки в пространстве Лобачевского к трехмерному релятивистскому конфигурационному представлению для случая составной системы двух релятивистских спиновых частиц произвольных масс.
Показать АннотациюМоделирование end-cap трекера детектора SPD
Моделирование end-cap трекера детектора SPD
В. А. Кузьмин
На примере straw end-cap трекера детектора SPD (Spin Physics Detector), который в настоящее время разрабатывается в Объединенном институте ядерных исследований (г.Дубна), моделируется работа детектора такого типа с целью оценки эффективности и точности реконструкции треков для различных конфигураций его слоев. Показывается, что трекер с двухслойной конструкцией координатных плоскостей не может однозначно давать информацию для реконструкции треков из-за большого диапазона углов вхождения треков в детектор. Предлагается метод реконструкции для слойного детектора из дрейфрвых трубок, в котором слои не объединяются в координатные плоскости, а для реконструкции треков используются только сигналы от отдельных слоев детектора. Чтобы найти оптимальную геометрию проектируемого трекера, рассчитываются эффективность и точность восстановления трека для 20 различных геометрических конфигураций детектора с разными вариантами точностей его электроники. Демонстируется достаточность изпользуемой методики моделирования. Результаты моделирования указывают на возможность создания трекера с однослойными координатными плоскостями, который по точности аналогичен детектору, состоящему из идеальных двухслойных координатных плоскостей.
Показать АннотациюНейросетевое моделирование наблюдаемых реакции электророждения одиночного пиона на протоне в резонансной области
Нейросетевое моделирование наблюдаемых реакции электророждения одиночного пиона на протоне в резонансной области
А. В. Голда$^1$, Е. Л. Исупов, А. А. Русова$^1$, В. В. Чистякова$^1$
В работе представлен нейросетевой подход к прогнозированию дифференциальных сечений эксклюзивной реакции электророждения пиона $\gamma^* p \rightarrow n \pi^+$. Задача рассматривается как многомерная регрессия по кинематическим переменным реакции. Глубокая полносвязная нейронная сеть обучается на экспериментальных данных детектора CLAS без введения априорных теоретических предположений о динамике реакции, при этом основное внимание уделяется валидации модели и оценке её физической надёжности. Для проверки качества прогнозирования проводится сравнение с феноменологической моделью MAID2007, показавшее, что нейронная сеть корректно воспроизводит характерную угловую зависимость и общее поведение сечений, включая области фазового пространства, не представленные в обучающей выборке. Также применяется метод реплик, основанный на построении ансамбля нейросетевых моделей, обученных на статистически флуктуированных наборах данных, что позволяет количественно оценить устойчивость прогнозирования и связанные с ними неопределённости. Результаты демонстрируют, что предложенная модель обеспечивает адекватное поведение значений прогнозированных дифференциальных сечений, оставаясь устойчивой к статистическим флуктуациям входных данных, и корректно воспроизводит многомерные корреляции в распределениях кинематических переменных реакции электророждения одиночного пиона на протоне.
Показать АннотациюИсследование оптических свойств наноструктурированного германия после ионно-кластерной бомбардировки
Исследование оптических свойств наноструктурированного германия после ионно-кластерной бомбардировки
И. В. Николаев, И. А. Азаров, Н. Г. Коробейщиков
Исследованы оптические свойства монокристаллического германия, наноструктурированного ионно-кластерным пучком аргона. Исходные поверхности германия бомбардировались кластерными ионами аргона с низкой удельной энергией (10 эВ/атом). Доза облучения составляла 1.0×10^16, 1.4×10^16 и 4.2×10^16 кластер.ион/см^2. Используя спектральную эллипсометрию, получены дисперсионные кривые и проведено сравнение кристаллического, аморфного и наноструктурированного германия после ионно-кластерной бомбардировки. Продемонстрирована анизотропия эффективных показателей преломления и поглащения наноструктурированных образцов германия вдоль и поперек направления волнового вектора наноструктур.
Показать АннотациюОптический симулятор квантового распределения ключей
Оптический симулятор квантового распределения ключей
Л. В. Бигуаа, С. П. Кулик
В статье предложена методология построения и работы оптической системы для численного и экспериментального исследования систем квантового распределения ключей (КРК). Система позволяет моделировать и экспериментально реализовывать различные атаки на известные протоколы КРК в режиме plug-and-play. Отличительной особенностью системы является то, что в ней используются лишь стандартные лабораторные инструменты, такие как диодные лазеры и фотодиодные детекторы общего назначения. Это позволяет демонстрировать работу системы КРК без необходимости развертывания дорогостоящей и технически сложной полноценной системы КРК в истинно квантовом режиме. Такая парадигма представляется полезной для различных исследований систем КРК в контексте их интенсивного развития. Во-первых, это связано с нарастающей потребностью в численном моделировании систем КРК в исследовательских целях. Во-вторых, экспериментальная реализация предлагаемого подхода необходима для практической демонстрации функционирования систем КРК, в частности, при подготовке специалистов в области квантового шифрования. При этом существующие в настоящее время аналоги позволяют исследователям экспериментально воспроизводить только простейшие атаки злоумышленника (Евы) на протоколы КРК, такие как прием-перепосылка. С их помощью также возможно численно моделировать широкий спектр атак, но с использованием достаточно сложных систем проектирования. В отличие от этого, предлагаемая система позволяет как численно, так и экспериментально воспроизводить атаки, начиная с простейших и заканчивая технически сложными атаками, такими как атака с отщеплением фотонов (PNS), для использования в режиме plug-and-play.
Показать АннотациюПрименение методов машинного обучения для идентификации спиновых центров в оксидах металлов
Применение методов машинного обучения для идентификации спиновых центров в оксидах металлов
Е. В. Кытина, А. В. Васильев, Е. А. Константинова, Д. Р. Хохлов
В данной работе решается задача классификации спектров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) нанокристаллических оксидов металлов (на примере нанооксидов алюминия и титана) и идентификации спиновых центров с применением методов машинного обучения. На основе литературных данных и выполненного исследования нанооксидов металлов методом ЭПР были отобраны спиновые центры (радикалы), которые наиболее часто встречаются в наноразмерных оксидах, в частности в оксидах алюминия и титана. Поскольку имеющихся экспериментальных спектров оказалось недостаточно для формирования репрезентативного датасета, для обучения моделей использовался синтетический датасет, полученный путем симуляции экспериментальных спектров и добавления гауссова шума с целью приближения смоделированных спектров ЭПР к реальным. Тестовый датасет состоял из реальных экспериментальных спектров ЭПР. Для решения задачи классификации были протестированы модели классического машинного обучения (SVM,Random Forest, LGBM, CatBoost, XGBoost) и сверточные нейронные сети (ResNet18, Resnet34, Efficientnetb0, Efficientnetb3, Mobilenetv2). Была проведена предварительная предобработка данных,заключавшаяся в извлечении дополнительных признаков из спектральных данных для задач классического машинного обучения. Наилучшая средняя точность 98% была получена с использованием модели градиентного бустинга CatBoost и нейросетевой модели ResNet18. Полученные результаты позволят автоматизировать процесс обработки спектров ЭПР, что значительно упростит и ускорит процесс работы ученых, выполняющих научные исследования в областях физики конденсированного состояния, а также будут способствовать популяризации метода ЭПР в научном сообществе.
Показать АннотациюЛокальные химические реакции с участием атомов фтора на поверхности Pt(111)
Локальные химические реакции с участием атомов фтора на поверхности Pt(111)
Д. А. Музыченко$^1$, С. И. Орешкин$^2$, М. Н. Петухов$^3$, М. А. Ардамин$^1$, М. Ю. Александров$^1$, В. И. Панов$^1$, А. И. Орешкин$^1$
Адсорбция атомов фтора на поверхности Pt(111) была изучена с помощью методов сверхвысоковакуумной сканирующей туннельной микроскопии (СВВ СТМ) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). В качестве источников фтора были выбраны молекулы фторфуллерена, при нанесении которых на Pt(111) происходит отщепление атомов фтора от углеродного остова и формирование новых поверхностных структур. Вариация стехиометрического состава, также как и количество осажденных молекул фторфуллерена позволяет получать различную концентрацию атомов фтора на исследуемой поверхности. При использовании молекул C60F18 было обнаружено возникновение поверхностной фтор-индуцированной структуры. Наблюдаемая структура не была стабильной и полностью исчезала в течение около 3-4 суток непрерывного мониторинга с помощью СТМ. Осаждение молекул C60F48 на Pt(111) также приводило к возникновению на поверхности неустойчивых структур. Спектры, полученные с помощью метода РФЭС наглядно продемонстрировали отсутствие взаимодействия между платиной и фтором. Наличие водорода на поверхности платины и его взаимодействие с фтором с образованием летучего фтороводорода позволяет объяснить исчезновение наблюдаемых структур с течением времени.
Показать АннотациюВклад неоднородного магнитоэлектрического взаимодействия в статическое граничное условие для намагниченности
Вклад неоднородного магнитоэлектрического взаимодействия в статическое граничное условие для намагниченности
Н. В. Мясников, А. П. Пятаков
В материалах с неоднородным магнитоэлектрическим взаимодействием такие микромагнитные структуры как доменные стенки обладают электрической поляризацией и реагируют на внешнее электрическое поле. Это взаимодействие описывается выражением для свободной энергии, содержащим производные векторного поля намагниченности по пространственным координатам, что приводит к модификации стандартного граничного условия для намагниченности, обеспеченного обменным взаимодействием. В настоящей работе показано, что новый вклад в статическое граничное условие приводит к влиянию внешнего электрического поля на однородную намагниченность и способствует зарождению магнитных доменов.
Показать Аннотацию