人工智能助力物理學(xué)家預(yù)言量子粒子行為奇異性

所有已知粒子行為方式都可以在量子物理學(xué)中得到解釋。量子物理學(xué)作為物理學(xué)的一個分支，它的最大特點就是，在最小水平上，這個世界變成了一個模糊和奇異的地方。舉個例子，組成這個宇宙的原子和其他基本粒子能夠以所謂的疊加態(tài)存在，也就是說，它們可以在兩個甚至更多的地方被同時觀測到，或者同時朝著兩個相反的方向旋轉(zhuǎn)；有了量子糾纏的現(xiàn)象，兩個或其他目標(biāo)能夠連接在一起，一個發(fā)生的狀況會立刻影響到與之相連的任何事物，無論它們在宇宙中相距有多遠。

即使是對科學(xué)家來說，量子物理的超現(xiàn)實主義本質(zhì)也不容易理解。有關(guān)疊加態(tài)最著名的類比——薛定諤的貓，代表一只可以同時存在死亡和活著兩種狀態(tài)的貓，物理學(xué)家薛定諤提出這一類比旨在突出了疊加態(tài)概念的荒唐性，而不是要去推廣它。另外，愛因斯坦反對量子糾纏概念也是出了名的，還把它叫做「幽靈超距作用」。然而，幾十年來，很多實驗都證實了量子物理學(xué)的奇怪現(xiàn)象——例如，Krenn的導(dǎo)師Anton Zeilinger幫助創(chuàng)造了目前量子糾纏的紀(jì)錄距離——144公里，從西班牙的拉帕爾馬到加拿大群島的特內(nèi)里費。

機械手在繪制量子實驗設(shè)計

Krenn和他的同事們在生成一種復(fù)雜形式的量子糾纏（三實體分享三種特性，three entities shared three properties）時遇到了問題。對生成這些所謂的Greenberger–Horne–Zeilinger (GHZ) 狀態(tài)進行了數(shù)周有根據(jù)的猜測后，Krenn說，他意識到他的直覺沒有用，「因此，也許一種更加激進的方式才有效果」。

答案就是一個Krenn名為MELVIN的程序。這種軟件利用量子實驗的共同建構(gòu)模塊（common building blocks），例如鏡子與全息圖，以及虛擬組織這些成分，去找到能達研究員所期望的任何目標(biāo)的反直覺配置，如特殊量子狀態(tài)。一旦它找到了一個有效的結(jié)果，它會自動簡化設(shè)計并報告給科學(xué)家�！肝以谕砩祥_始運行程序，到了第二天早上，在數(shù)萬個不同的實驗后，它找到了一個正確解決方案」，Krenn提及他第一次利用MELVIN找到GHZ狀態(tài)的時候說道，「你可以想象那是多么令人激動的一天�！顾麄冊谌�月四號的《物理評論快報》上刊登了一篇論文，詳細(xì)論述了他們的發(fā)現(xiàn)。

在MELVIN的另一個測試中，研究員發(fā)現(xiàn)這個程序可以利用多組糾纏態(tài)粒子并改變它們，因此，它們轉(zhuǎn)換了特性，例如，以循環(huán)方式彼此極化（polarization）。這樣的循環(huán)操作在近乎牢不可破的量子加密——疊加態(tài)與量子糾纏的未來主要應(yīng)用之一——中非常有幫助。

科學(xué)家還補充說，MELVIN想出了處于預(yù)料的解決方案，他們是不可能想到這些解決方案的。例如，程序設(shè)計開發(fā)出來用于生成GHZ態(tài)的51個實驗中，有50個包括了將糾纏光束直接照射到另一個與實驗其他光束和成分沒有相互作用的探測器上。Krenn說道：「我仍然覺得要直觀理解這個最終方案非常困難，盡管我可以完美的計算它�！�

MELVIN開始會隨機選擇組件，但是，「它能從經(jīng)驗中學(xué)習(xí)」，Krenn說道，「這意味著，如果它找到了一個很好的解決方案，它會儲存這個方案然后在接下來的實驗中利用它。顯著將速度提升了不止一個數(shù)量級�！�

然而，當(dāng)問到MELVIN的結(jié)果是否都是反直觀和有用的時候，日內(nèi)瓦大學(xué)的物理學(xué)家Nicolas Gisin（他并沒有參與此項目）說道：「我沒有印象�！顾�還補充說：「這篇論文可能會引發(fā)大量爭論�！�

相反，來自MIT的量子物理學(xué)家Seth Lloyd（也沒有參與此項目）認(rèn)為，MELVIN 是一個很好的主意�！高@是真的，量子力學(xué)的奇異特性讓人們難以設(shè)計實驗�！筁lyod說道。較之長期以來，在生產(chǎn)制造之前，科學(xué)家如何使用計算機模擬藥物和其他分子特性，他仍沒發(fā)現(xiàn)MELVIN這一研究的突破性。但是，「這種方法有望幫助生成有用的復(fù)雜量子狀態(tài)。」他補充道，「如果他們能夠發(fā)現(xiàn)帶有完全出乎意料特性的新奇狀態(tài)，那會很棒。」