Pan’sLiFE潘义明课题组SHANGHAITECH UNIVERSITYEN
SCIENCE & INTELLIGENCE / 科学与智能

AI4S × S4AI

从数据中发现物理,
在物理中探索智能。

我们关心两个相互连接的问题:如何借助数据与学习方法理解复杂的物理系统?又如何借助物理结构,理解和构建学习系统?

AI → SCIENCE

AI for Science

让复杂的演化变得可读。

SCIENCE → AI

Science for AI

让学习的机制变得可理解。

01 / KOOPMAN–DMD公开预印本

把一段演化,拆成可理解的模式。

一段波的“电影”里,往往同时藏着多个节奏。Koopman 的算子视角与动态模态分解(DMD),帮助我们从连续快照中分离这些模式,读取它们的频率、增长与衰减,以及空间形状。

让物理图景,逐步浮现。

悬停预览,点击留住。继续探索,拼出完整图景。

驱动晶格、物理结构与演化数据之间的联系
Koopman–DMD

提取频率、增长或衰减、空间形状与权重,让动力学变得可读。

演化 → 模态 → 物理图景

FIG. 01Koopman–DMD 研究图景 · 概念示意完整标注图 ↗

一段数据,可以读出什么?

点击下面四个量,看看每个模态告诉我们什么。

时空快照Koopman–DMD模态信息

它以什么节奏振荡?

同一个信号里可以叠加快慢不同的振荡。模态频率把这些节奏分开,帮助我们连接动力学与能带色散。

FIG. 02交互图为模态概念示意,不是论文数据;DMD 从快照近似提取动力学结构,不等同于神经网络训练。
02 / PINED-NET在研探索

让光与电子,组成一张物理网络。

神经网络的计算能否发生在真实的波传播中?PINED-Net 探索光子诱导的近场电子相互作用:用光调控电子波,让信息经过多层物理过程,再从输出中读取。

PINED-Net 概念架构:电子波依次经过光驱动的多层物理网络并被读出
FIG. 03PINED-Net 简化概念架构。层数、传播形态与输出光斑仅作示意。
  1. 01

    输入信息

    将信息带入电子波。

  2. 02

    光驱动的物理层

    光与电子相互作用,逐层调控波的状态。

  3. 03

    传播与读出

    经过连续物理过程,把输出转为可读的信息。

这是一项正在推进的研究。这里展示基本思路,具体实现与结果将在后续工作中介绍。

先了解 PINEM 的物理过程 ↗
03 / TOPOLOGY & LOCALIZATION已发表

波为什么扩展开,又为什么停留?

拓扑关注整体结构如何影响波的行为;局域化关注波如何被限制在有限区域。我们希望把这些物理问题与数据中的动力学特征联系起来。

费米液体扩展态与多体局域化之间的唯象对应概念图
FIG. 04依据 Pan、He 与 Pan,J. Phys.: Condens. Matter 38, 075702 (2026),Fig. 4 重绘(原图 CC BY 4.0)。这是唯象对应的概念图。

物理基础 · 多体局域化与费米液体

何金泽共同第一作者的工作,从扩展的费米液体准粒子与多体局域化中的局域守恒量出发,提出唯象对应,讨论正常态的失稳。这为比较不同多体态、思考可观测特征提供了物理线索。

阅读局域化论文 ↗
展开论文中的数值示例

论文 Fig. 7 展示 12 自旋 XXZ 系统的示例。它用于说明动能、无序与相互作用之间的竞争;有限尺寸示例不是热力学极限下的严格相边界证明。

JPCM 38, 075702 (2026), Fig. 7
04 / SCIENCE FOR AI

神经算子,究竟学到了什么?

预测下一帧只是起点。我们也想知道:网络怎样利用物理信息?学到的结构是否可解释?物理算符与波的传播,能否成为可训练的信息处理过程?

公开预印本

MH-RG DeepONet · 让物理信息参与学习

神经算子学习的是从一个函数到另一个函数的映射。这里,初始场与坐标进入分支和主干网络,物理描述量参与两路表征,再组合成对场演化的预测。多头结构提供了分析模型行为的一个切入点。

阅读 MH-RG DeepONet 论文 ↗
MH-RG DeepONet 的初始场、坐标、物理描述量与预测场之间的关系
FIG. 05依据 MH-RG DeepONet 的公开架构重绘。图中波形为示意,不代表预测误差或性能。
展开模型分析的论文原图

公开论文中的多头机制分析与噪声测试(Fig. 3、4)。模型是否可靠,需要结合测试条件和误差结果判断。

MH-RG DeepONet, Figures 3 and 4

我们正在追问

物理信息如何帮助学习?

物理描述量能把与演化相关的结构带入模型。我们关心它们何时改善预测、何时帮助泛化,以及哪些信息真正起作用。

如何理解神经算子?

从模态、对称性与多尺度结构出发,能否解释模型如何组织信息?可解释性需要对照实验和可检验的机制,而不仅是可视化。

物理算符能拥有智能吗?

如果“智能”意味着可训练、可适应的信息处理,那么波传播和物理相互作用能承担哪些计算?PINED-Net 是对这一问题的探索;问题本身仍然开放。

05 / SELECTED WORK

沿着论文,继续探索。

课题组全部论文 ↗

配图为概念示意,部分使用 AI 辅助重绘;数值结果与适用条件请以原论文为准。