AI新星系列報道之十一 | 周凱：“Physics for AI”物理與人工智能的雙向融合
在高能核物理與人工智能的交匯領域，香港中文大學（深圳）理工學院的周凱教授以其獨到的視角和創新的方法拓展了物理研究的界限。他專注于物質科學領域的研究，并將人工智能視為加速科學探索與應用的工具。
周凱教授關注“Physics for AI”的研究，運用物理學的底層邏輯來闡釋人工智能的算法框架，揭示智能系統與復雜物理系統之間的深刻聯系。
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高能物理探索：從微觀到宇宙
周凱教授的主要研究領域為高能核物理，研究極端條件下的物質性質，這對于理解宇宙起源和物質結構都具有重大意義。其研究核心是量子色動力學（QCD）物質，致力于解密物質在極高溫、高密狀態下的行為和性質。通過重離子碰撞實驗，科學家們可以模擬出迷你版的“宇宙爆炸”，其爆炸產物中心溫度可達2萬億攝氏度，遠超太陽核心溫度。
重離子碰撞圖
這些研究不僅有助于回答物質構成的最基礎問題，還為高能物理在能源、醫療等領域的應用開辟新路徑。例如醫療領域廣泛使用的質子刀，正是通過加速使質子的能量達到一定程度，再精準聚焦于病灶部位，實現保護健康組織的同時治療癌癥。物理與AI的融合支持，將會顯著提升治療精度并縮短治療規劃時間。
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AI與物理：從工具到理論
周凱教授不僅將人工智能作為物理研究工具，更提出了“Physics for AI”的理念，即用物理學的原理反哺人工智能發展。他指出現代AI技術的諸多底層算法，包括生成式模型（如圖像生成工具）都源于物理學原理。
當前流行的“文生圖”AI工具所采用的擴散模型（Diffusion Model），其核心概念正源自熱物理學，這些物理概念被系統性地轉化為AI算法。周凱教授進一步揭示，很多大語言模型的基本模塊，以及玻爾茲曼機和變分自編碼器等流行生成模型，其底層邏輯都可以追溯至統計物理學原理。
擴散模型相關演示（Cat Diffusion）
通過物理定律與AI技術的有機結合，周凱教授在跨學科領域取得突破性進展。在《Journal of High Energy Physics》發表的研究中，他創新性地從統計物理學視角解析生成式人工智能方法，同時基于生成式人工智能模型，探索了量子場論格點計算應用。值得關注的是，他將格點場論中的隨機量子化與生成式擴散模型建立關聯，在給出了從物理角度理解AI模型的同時，也展示了先進機器學習技術如何深化對量子多體系統的探索。這一系列研究成功實現了機器學習方法與基礎物理學的深度融合，推動學科交叉創新。
擴散模型相關演示（LatticeQFT Diffusion）
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Physics for AI：未來無限可能
周凱教授近年來研究成果斐然，屢次獲得國際權威期刊和學術會議認可。其論文《Higher-Order Cumulants in Diffusion Models》榮獲最佳“Physics for AI”論文獎（NeurIPS 2024 ?Workshop），該獎項不僅彰顯周凱教授研究的創新性與跨學科特性，更凸顯他在人工智能與物理學融合研究領域的卓越貢獻。
周凱教授的論文榮獲最佳“Physics for AI”論文獎
周凱教授堅信，物理學與人工智能的結合將成為未來科學研究的關鍵趨勢。他指出，繼去年諾貝爾物理學獎頒發給John Hopfield和Geoffrey Hinton在人工神經網絡方面的研究成果之后，美國物理學會（APS）已將神經網絡人工智能列入物理學范疇，未來人工智能與物理學將更加緊密相連。人工智能的快速發展為物理學研究提供新工具，而物理學則為人工智能算法奠定理論基礎。這種雙向賦能關系不僅加速科學進步，更有助于提升人工智能的科學性與可靠性。
在人工智能與物理學深度整合的時代浪潮中，周凱教授無疑是該交叉領域的領航者。他將繼續依托香港中文大學（深圳）的平臺深耕物質科學研究，其開創性工作不僅揭示物理與AI結合的巨大潛力，同時為未來科技革新注入強勁動力。
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青年教授簡介
周凱
港中大（深圳）理工學院助理教授
周凱現為香港中文大學（深圳）理工學院助理教授。他于2009年在西安交通大學物理系獲得理學學士學位，2014年在清華大學物理系獲得博士學位。此后，他于2014年至2017年在德國法蘭克福歌德大學理論物理研究所（ITP）擔任博士后研究員。自2017年7月起，他在法蘭克福高等研究院（FIAS）擔任研究員（W1教授級別）及團隊負責人，領導“Deepthinkers”小組進行AI for Science研究項目，特別是在現代計算范式下的高能核物理研究，包括應用機器和深度學習，并指導碩士/博士學生和博士后在人工智能科學方面的研究。2022年，他在FIAS晉升為高級研究員（W2教授級別）。
他已發表50多篇同行評審期刊論文和眾多會議論文，并曾受邀在多個國際會議作大會報告，如SQM, Initial Stages，國際核物理大會，機器學習格點場論等。他也受邀為多家期刊審稿，包括：PRL、PRD、PRC、PRE、Nature Communications、Astrophysical Journal-AAS、JCAP、NST、CPC、Frontier of Physics、EPJA、Particles、Measurements、Sustainability、NeurIPS、PLOS ONE等。目前擔任《現代物理通訊A》和《國際現代物理A》期刊的副主編。
