人工智能设计的量子物理实验超出了人类的想象

量子物理学家马里奥·克伦 (Mario Krenn) 记得 2016 年初，他坐在维也纳的一家咖啡馆里，仔细研究计算机打印输出，试图弄清梅尔文的发现。MELVIN 是 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。它确实发现了许多有趣的东西。但有一个没有任何意义。

“我首先想到的是，'我的程序有一个错误，因为解决方案不存在，'”克伦说。梅尔文似乎解决了创建涉及多个光子的高度复杂的纠缠态的问题（纠缠态曾经让阿尔伯特·爱因斯坦调用“远距离幽灵行动”的幽灵）。维也纳大学的 Krenn、Anton Zeilinger 和他们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一种在 1990 年代初设计的实验安排。但这些实验要简单得多。梅尔文破解了一个复杂得多的谜题。

“当我们了解正在发生的事情时，我们立即能够概括[解决方案]，”现在在多伦多大学的克伦说。从那时起，其他团队开始执行 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，Krenn
与多伦多的同事一起改进了他们的机器学习算法。他们的最新成果，一个名为 THESEUS 的人工智能，提高了赌注：它比 MELVIN 快几个数量级，人类可以很容易地解析它的输出。虽然克伦和他的同事需要几天甚至几周的时间才能理解梅尔文的曲折，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 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 Krenn 和他的同事们试图弄清楚如何通过实验创造出以一种非常特殊的方式纠缠的光子的量子态时，克伦无意中偶然发现了整个研究计划：当两个光子相互作用时，它们就会纠缠在一起，并且两者都只能在数学上进行使用单个共享量子状态描述。如果您测量一个光子的状态，即使两者相距数公里，测量结果也会立即确定另一个光子的状态（因此爱因斯坦对纠缠的嘲讽评论是“令人毛骨悚然的”）。

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 状态涉及纠缠四个量子位，使得整个系统处于状态 0000 和 1111 的二维量子叠加。如果你测量其中一个光子并发现它处于状态 0，叠加就会崩溃，并且其他光子也将处于状态 0。状态 1 也是如此。在 1990 年代后期，Zeilinger 和他的同事首次使用三个量子位实验观察了 GHZ 状态。

Krenn 和他的同事们的目标是更高维度的 GHZ 状态。他们想使用三个光子，其中每个光子的维数为 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。该团队所追求的纠缠是一个三维 GHZ 状态，它是状态 000、111 和 222 的叠加。这些状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？'”克伦说。

为了加快这个过程，克伦首先编写了一个计算机程序，该程序采用了实验设置并计算了输出。然后他升级了程序，使其能够在计算中加入实验者用来在光学平台上创建和操纵光子的相同构建块：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来搜索大量配置空间，执行计算并输出结果。梅尔文出生。“在几个小时内，该程序找到了一个解决方案，我们科学家——三位实验家和一位理论家——几个月都无法想出，”克伦说。“那真是疯狂的一天。我简直不敢相信它发生了。”