人工智能设计的量子物理实验超出了人类的想象

量子物理学家 Mario Krenn 记得 2016 年初，他是坐在维也纳的一家咖啡馆里，仔细研究计算机打印输出，试图澄清梅尔文的发现。 MELVIN 是一种由 Krenn 构建的机器学习算法，一种人工智能。它的工作是混合和匹配标准量子实验的构建块，并找到新问题的解决方案。它确实发现了很多有趣的东西。但一个没有任何意义。

“我想到的第一件事是，‘我的程序有错误，因为解决方案不存在，’”克伦说。梅尔文似乎已经解决了创建涉及多个光子的高度复杂纠缠态的问题（纠缠态曾经让阿尔伯特·爱因斯坦称之为“远程幽灵行动”的幽灵）。 Krenn、Anton Zeilinger 和他们在维也纳大学的同事没有明确地向 MELVIN 提供生成这种复杂状态所需的规则，但它已经找到了一种方法。最终，他意识到该算法重新发现了 1990 年代初期设计的实验装置。但这些实验要简单得多。梅尔文解决了一个更复杂的难题。

“当我们了解正在发生的事情时，我们可以立即概括[解决方案]，”现在在多伦多大学的凯伦说。从那以后，其他团队进行了 MELVIN 确定的实验，使他们能够以新的方式测试量子力学的概念基础。与此同时，克伦 与多伦多的同事一起改进了他们的机器学习算法。他们的最新成就是一种名为 THESEUS 的人工智能，它提高了赌注：它比 MELVIN 快几个数量级，而且人类可以轻松解析其输出。尽管克伦和他的同事花了几天甚至几周的时间来理解梅尔文的曲折，但他们几乎可以立即弄清楚忒修斯在说什么。

“这是一项了不起的工作，”苏黎世瑞士联邦理工学院理论物理研究所的理论量子物理学家雷纳托·雷纳 (Renato Renner) 说。他回顾了 2020 年关于 THESEUS 的研究，但没有直接参与这些工作。

当克伦和他的同事们试图通过实验弄清楚如何创造一种以一种非常特殊的方式纠缠在一起的光子的量子态时，克伦偶然发现了整个研究项目：当两个光子相互作用时，它们就会纠缠在一起，并且两者都只能使用单个共享量子状态在数学上进行描述。如果测量一个光子的状态，即使两者相距几公里，测量结果也会立即确定另一个光子的状态（所以爱因斯坦对纠缠的嘲讽评论“令人毛骨悚然”）。

1989 年，三位物理学家——丹尼尔·格林伯格、已故的迈克尔·霍恩和蔡林格——描述了一种纠缠态，后来被称为“GHZ”（以他们的首字母缩写）。它涉及四个光子，每个光子都可以处于例如两个状态 0 和 1（称为量子位的量子状态）的量子叠加中。在他们的论文中，GHZ 状态涉及四个量子位的纠缠，使整个系统处于状态 0000 和 1111 的二维量子叠加状态。如果您测量其中一个光子并发现它处于状态 0，则叠加会崩溃，其他光子也将处于状态 0。状态 1 也是如此。 1990 年代后期，Zeilinger 和他的同事首次使用三个量子位实验来观察 GHZ 状态。

Krenn 和他的同事的目标是一个更高维的 GHZ 状态。他们想使用三个光子，每个光子的维度为 3，这意味着它可以处于三个状态的叠加：0、1 和 2。这种量子状态称为 qutrit。团队追求的纠缠是三维 GHZ 态，即 000、111 和 222 态的叠加。这些态是安全量子通信和更快量子计算的重要组成部分。 2013 年底，研究人员花了数周时间在黑板上设计实验并进行计算，以确定他们的设置是否可以生成所需的量子态。但是每次都失败了。 “我想，'这绝对是疯了。为什么我们不能想出一个设置？'”凯伦说。

为了加快这个过程，Keren首先编写了一个使用实验设置并计算输出的计算机程序。然后，他升级了程序，将实验者用来在光学平台上创建和操纵光子的相同构建模块包括在计算中：激光器、非线性晶体、分束器、移相器、全息图等。该程序通过随机混合和匹配构建块搜索大量配置空间，执行计算并输出结果。梅尔文出生。 “在几个小时内，该程序找到了解决方案，而我们科学家——三名实验者和一名理论家——几个月都无法想出它，”克伦说。 “那真是疯狂的一天。我不敢相信它发生了。”

文章来源：《大学物理》 网址: http://www.dxwlzz.cn/zonghexinwen/2021/0720/737.html