Physics-Guided and Physics-Explainable Recurrent Neural Network for Time Dynamics in Optical Resonances
- 1. Purdue University System
- 2. University of Utah
- 3. California Institute of Technology
- 4. Peking University
- 5. ORCID
Description
Abstract Understanding the time evolution of physical systems is crucial to revealing fundamental characteristics that are hidden in frequency domain. In optical science, high-quality resonance cavities and enhanced interactions with matters are at the heart of modern quantum technologies. However, capturing their time dynamics in real-world scenarios suffers from long data acquisition and low analysis accuracy due to slow convergence and limited time window. Here, we report a physics-guided and physics-explainable recurrent neural network to precisely forecast the time-domain response of resonance features with the shortest acquired input sequence being 7% of full length, and to infer corresponding resonance frequencies. The model is trained in a two-step multi-fidelity framework for high-accuracy forecast, where the first step is based on a large amount of low-fidelity physical-model-generated synthetic data and second step involves a small set of high-fidelity application-oriented observational data. Through both simulations and experiments, we demonstrate that the model is universally applicable to a wide range of resonances, including dielectric metasurfaces, graphene plasmonics, and ultrastrongly coupled Landau polaritons, where our model accurately captures small signal features and learns essential physical quantities. The demonstrated machine learning algorithm offers a new way to accelerate the exploration of physical phenomena and the design of devices under resonance-enhanced light-matter interaction.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
يعد فهم التطور الزمني للأنظمة الفيزيائية أمرًا بالغ الأهمية للكشف عن الخصائص الأساسية المخفية في مجال التردد. في العلوم البصرية، تعد تجاويف الرنين عالية الجودة والتفاعلات المعززة مع الأمور في صميم التقنيات الكمومية الحديثة. ومع ذلك، فإن التقاط ديناميكيات وقتهم في سيناريوهات العالم الحقيقي يعاني من الحصول على بيانات طويلة ودقة تحليل منخفضة بسبب التقارب البطيء والنافذة الزمنية المحدودة. هنا، نبلغ عن شبكة عصبية متكررة موجهة بالفيزياء وقابلة للتفسير بالفيزياء للتنبؤ بدقة باستجابة النطاق الزمني لميزات الرنين مع أقصر تسلسل إدخال مكتسب يبلغ 7 ٪ من الطول الكامل، ولاستنتاج ترددات الرنين المقابلة. يتم تدريب النموذج في إطار متعدد الدقة من خطوتين للتنبؤ عالي الدقة، حيث تعتمد الخطوة الأولى على كمية كبيرة من البيانات الاصطناعية التي تم إنشاؤها بواسطة النموذج المادي منخفض الدقة وتتضمن الخطوة الثانية مجموعة صغيرة من بيانات الرصد الموجهة نحو التطبيقات عالية الدقة. من خلال كل من المحاكاة والتجارب، نثبت أن النموذج قابل للتطبيق عالميًا على مجموعة واسعة من الرنين، بما في ذلك الأسطح الفوقية العازلة للكهرباء، وبلازمونات الجرافين، وبولاريتونات لانداو المقترنة بشدة، حيث يلتقط نموذجنا بدقة ميزات الإشارة الصغيرة ويتعلم الكميات الفيزيائية الأساسية. تقدم خوارزمية التعلم الآلي الموضحة طريقة جديدة لتسريع استكشاف الظواهر الفيزيائية وتصميم الأجهزة تحت تفاعل المادة الضوئية المعزز بالرنين.Translated Description (French)
Résumé Comprendre l'évolution temporelle des systèmes physiques est crucial pour révéler les caractéristiques fondamentales qui sont cachées dans le domaine des fréquences. En science optique, les cavités de résonance de haute qualité et les interactions améliorées avec les matières sont au cœur des technologies quantiques modernes. Cependant, la capture de leur dynamique temporelle dans des scénarios réels souffre d'une longue acquisition de données et d'une faible précision d'analyse en raison d'une convergence lente et d'une fenêtre temporelle limitée. Ici, nous rapportons un réseau de neurones récurrents guidés par la physique et explicables par la physique pour prévoir avec précision la réponse dans le domaine temporel des caractéristiques de résonance, la séquence d'entrée acquise la plus courte étant de 7% de la pleine longueur, et pour déduire les fréquences de résonance correspondantes. Le modèle est formé dans un cadre multi-fidélité en deux étapes pour des prévisions de haute précision, où la première étape est basée sur une grande quantité de données synthétiques générées par un modèle physique basse-fidélité et la seconde étape implique un petit ensemble de données d'observation orientées application haute-fidélité. Grâce à des simulations et à des expériences, nous démontrons que le modèle est universellement applicable à une large gamme de résonances, y compris les métasurfaces diélectriques, la plasmonique du graphène et les polaritons de Landau à couplage ultra-fort, où notre modèle capture avec précision de petites caractéristiques de signal et apprend des quantités physiques essentielles. L'algorithme d'apprentissage automatique démontré offre une nouvelle façon d'accélérer l'exploration des phénomènes physiques et la conception de dispositifs sous interaction lumière-matière améliorée par résonance.Translated Description (Spanish)
Resumen La comprensión de la evolución temporal de los sistemas físicos es crucial para revelar las características fundamentales que están ocultas en el dominio de la frecuencia. En la ciencia óptica, las cavidades de resonancia de alta calidad y las interacciones mejoradas con los asuntos están en el corazón de las tecnologías cuánticas modernas. Sin embargo, la captura de su dinámica de tiempo en escenarios del mundo real adolece de una larga adquisición de datos y una baja precisión de análisis debido a la lenta convergencia y la ventana de tiempo limitada. Aquí, informamos de una red neuronal recurrente guiada por la física y explicable por la física para pronosticar con precisión la respuesta en el dominio del tiempo de las características de resonancia, siendo la secuencia de entrada adquirida más corta el 7% de la longitud total, y para inferir las frecuencias de resonancia correspondientes. El modelo está entrenado en un marco de fidelidad múltiple de dos pasos para pronósticos de alta precisión, donde el primer paso se basa en una gran cantidad de datos sintéticos generados por modelos físicos de baja fidelidad y el segundo paso implica un pequeño conjunto de datos observacionales orientados a aplicaciones de alta fidelidad. A través de simulaciones y experimentos, demostramos que el modelo es universalmente aplicable a una amplia gama de resonancias, incluidas las metasuperficies dieléctricas, la plasmónica de grafeno y los polaritones de Landau acoplados ultrafuertemente, donde nuestro modelo captura con precisión pequeñas características de señal y aprende cantidades físicas esenciales. El algoritmo de aprendizaje automático demostrado ofrece una nueva forma de acelerar la exploración de fenómenos físicos y el diseño de dispositivos bajo interacción luz-materia mejorada por resonancia.Files
latest.pdf.pdf
Files
(2.1 MB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:3c284db8110d09547a3c72b610570f79
|
2.1 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- الشبكة العصبية المتكررة للفيزياء الموجهة والفيزياء القابلة للتفسير لديناميكيات الوقت في الرنين البصري
- Translated title (French)
- Réseau de neurones récurrents guidés par la physique et explicables par la physique pour la dynamique du temps dans les résonances optiques
- Translated title (Spanish)
- Física guiada y física: red neuronal recurrente explicable para la dinámica del tiempo en resonancias ópticas
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3201658993
- DOI
- 10.21203/rs.3.rs-879817/v1
References
- https://openalex.org/W1967673033
- https://openalex.org/W1972432506
- https://openalex.org/W2016482047
- https://openalex.org/W2017077355
- https://openalex.org/W2024979489
- https://openalex.org/W2044911356
- https://openalex.org/W2087348897
- https://openalex.org/W2112515853
- https://openalex.org/W2133157165
- https://openalex.org/W2152010245
- https://openalex.org/W2572939427
- https://openalex.org/W2734986640
- https://openalex.org/W2754252319
- https://openalex.org/W2762371453
- https://openalex.org/W2798058877
- https://openalex.org/W2798701005
- https://openalex.org/W2798881288
- https://openalex.org/W2800400039
- https://openalex.org/W2889928394
- https://openalex.org/W2905574041
- https://openalex.org/W2945680505
- https://openalex.org/W3092323705
- https://openalex.org/W3112263403
- https://openalex.org/W3163993681
- https://openalex.org/W3164895057
- https://openalex.org/W3214801909