AI harton eksperimente të fizikës kuantike përtej asaj që çdo njeri ka konceptuar

Fizikanti kuantik Mario Krenn mban mend se ishte ulur në një kafene në Vjenë në fillim të vitit 2016, duke hedhur mbi shtypshkrime kompjuteri, duke u përpjekur të kuptonte atë që MELVIN kishte gjetur. MELVIN ishte një algoritëm për të mësuar makinerinë që Krenn kishte ndërtuar, një lloj inteligjence artificiale. Detyra e tij ishte të përziente dhe përputhej me blloqet ndërtimore të eksperimenteve standarde kuantike dhe të gjente zgjidhje për problemet e reja. Dhe gjeti shumë interesante. Por ishte një që nuk kishte kuptim.

“Gjëja e parë që mendova ishte, ‘Programi im ka një të metë, sepse zgjidhja nuk mund të ekzistojë,” thotë Krenn. MELVIN me sa duket e kishte zgjidhur problemin e krijimit të gjendjeve shumë të ndërlikuara të ngatërruara që përfshinin fotone të shumta (gjendjet e ngatërruara ishin ato që dikur e bënë Albert Ajnshtajnin të thirrte spektrin e “veprimit drithërues në distancë”). Krenn, Anton Zeilinger i Universitetit të Vjenës dhe kolegët e tyre nuk kishin dhënë në mënyrë të qartë MELVIN rregullat e nevojshme për të krijuar shtete të tilla komplekse, megjithatë ajo kishte gjetur një mënyrë. Përfundimisht, ai e kuptoi se algoritmi kishte rizbuluar një lloj marrëveshje eksperimentale që ishte ideuar në fillim të viteve 1990. Por ato eksperimente kishin qenë shumë më të thjeshta. MELVIN kishte thyer një enigmë shumë më komplekse.

“Kur kuptuam se çfarë po ndodhte, ne menjëherë ishim në gjendje të përgjithësonim [zgjidhjen]”, thotë Krenn, i cili tani është në Universitetin e Torontos. Që nga ajo kohë, ekipe të tjera kanë filluar të kryejnë eksperimentet e identifikuara nga MELVIN, duke i lejuar ata të provojnë bazat konceptuale të mekanikës kuantike në mënyra të reja. Ndërkohë Krenn, duke punuar me kolegët në Toronto, ka rafinuar algoritmet e tyre të të mësuarit makinerik. Përpjekja e tyre e fundit, një UA e quajtur THESEUS, ka rritur ante: është rendi i madhësisë më shpejt se MELVIN, dhe njerëzit mund të analizojnë me lehtësi prodhimin e tij. Ndërsa Krenn dhe kolegëve të tij do t’i duheshin ditë ose madje javë për të kuptuar gjarpërimet e MELVIN, ata pothuajse menjëherë mund të kuptojnë se çfarë thotë THESEUS.

“Workshtë një punë e mahnitshme”, thotë fizikanti teorik kuantik Renato Renner i Institutit për Fizikë Teorike në Institutin Federal të Teknologjisë Zvicër Zurich, i cili shqyrtoi një studim të vitit 2020 rreth THESEUS por nuk ishte i përfshirë drejtpërdrejt në këto përpjekje.

Krenn ngeci në të gjithë këtë program kërkimor disi rastësisht kur ai dhe kolegët e tij po përpiqeshin të kuptonin se si të krijonin eksperimentalisht gjendje kuantike të fotoneve të ngatërruara në një mënyrë shumë të veçantë: Kur dy fotone bashkëveprojnë, ata ngatërrohen dhe të dy mund të jenë vetëm matematikisht përshkruar duke përdorur një gjendje të vetme të përbashkët kuantike. Nëse matni gjendjen e një fotoni, matja në çast rregullon gjendjen e tjetrit edhe nëse të dy janë kilometra larg njëri-tjetrit (prandaj komentet tallëse të Ajnshtajnit për ngatërresën janë “drithëruese”).

Në 1989 tre fizikantë – Daniel Greenberger, i ndjeri Michael Horne dhe Zeilinger – përshkruan një gjendje të ngatërruar që u bë e njohur si “GHZ” (pas inicialet e tyre). Ai përfshinte katër fotone, secila prej të cilave mund të ishte në një superpozim kuantik, të themi, të dy gjendjeve, 0 dhe 1 (një gjendje kuantike e quajtur qubit). Në letrën e tyre, shteti GHZ përfshiu ngatërrimin e katër qubitëve të tillë që i gjithë sistemi ishte në një superpozim kuantik dy-dimensional të gjendjeve 0000 dhe 1111. Nëse matni njërën prej fotoneve dhe e gjenit atë në gjendjen 0, superpozicioni do të shembet, dhe fotonet e tjerë do të ishin gjithashtu në gjendjen 0. E njëjta gjë vazhdoi për gjendjen 1. Në fund të viteve 1990 Zeilinger dhe kolegët e tij vëzhguan eksperimentalisht gjendjet GHZ duke përdorur tre kubit për herë të parë.

Krenn dhe kolegët e tij synonin krijimin e gjendjeve GHZ të dimensioneve më të larta. Ata donin të punonin me tre fotone, ku secili foton kishte një dimensionim prej tre, që do të thotë se mund të ishte në një superpozicion të tre gjendjeve: 0, 1 dhe 2. Kjo gjendje kuantike quhet qutrit. Ngatërresa që ekipi kishte më pas ishte një gjendje GHZ tre-dimensionale që ishte një superpozicion i shteteve 000, 111 dhe 222. Këto gjendje janë përbërës të rëndësishëm për komunikime të sigurta kuantike dhe informatikë më të shpejtë kuantik. Në fund të vitit 2013 studiuesit kaluan javë të tëra duke hartuar eksperimente në dërrasa të zeza dhe duke bërë llogaritjet për të parë nëse konfigurimet e tyre mund të gjeneronin gjendjet e kërkuara kuantike. Por çdo herë ata dështuan. “Mendova, ‘Kjo është absolutisht e çmendur. Pse nuk mund të dalim me një konfigurim?”, Thotë Krenn.

Për të përshpejtuar procesin, Krenn së pari shkroi një program kompjuterik që mori një konfigurim eksperimental dhe llogarit prodhimin. Pastaj ai azhurnoi programin për ta lejuar atë që të përfshinte në llogaritjet e tij të njëjtat blloqe ndërtimi që përdorin eksperimentuesit për të krijuar dhe manipuluar fotone në një stol optik: lazer, kristale jolineare, ndarës rrezesh, ndërrues faze, holograme dhe të ngjashme. Programi kërkoi përmes një hapësire të madhe konfigurimesh duke përzier dhe përputhur rastësisht blloqet e ndërtimit, bëri llogaritjet dhe nxori rezultatin. MELVIN lindi. “Brenda disa orësh, programi gjeti një zgjidhje që ne shkencëtarët – tre eksperimentistë dhe një teoricienë – nuk mund ta gjenim për muaj të tërë,” thotë Krenn. “Ajo ishte