Физики предложили ИИ придумывать немыслимые квантовые эксперименты

Ученые пытаются разгадать странную природу поведения квантовых частиц и с этой целью обратились к хитроумному программному обеспечению, чтобы оно придумывало немыслимые эксперименты. Квантовая физика бросает вызов человеческой интуиции — даже интуиции физика Марио Кренна из Венского университета. Ее противоречивое свойство усложняет задачу ученых придумывать эксперименты, которые способствуют исследованиям этой области. Но теперь, чтобы избежать подводных камней интуиции, Кренн и его коллеги разработали компьютерную программу, которая автоматически создает новые квантовые эксперименты, до которых сами физики додуматься не смогли бы.

Поведение всех известных частиц можно объяснить квантовой физики. Одной из главных особенностей этой ветви физики является то, что мир становится зыбким, причудливым местом на самых мельчайших уровнях. Например, атомы и другие базовые строительные блоки Вселенной могут существовать в состоянии суперпозиции, находиться в двух или более местах одновременно или одновременно вращаться в противоположных направлениях. А явление квантовой запутанности позволяет соединить два или более объекта так, что поведение одного будет мгновенно отражаться на другом, как бы далеко они друг от друга во Вселенной ни находились.

Ирреальный характер квантовой физики сложно постичь даже ученым. Самая известная аналогия суперпозиции, кот Шредингера, который одновременно и жив и мертв, была придумала физиком Эрвином Шредингером, чтобы подчеркнуть абсурдность концепции суперпозиции, а не популяризовать ее. Кроме того, сам Эйнштейн был против идеи запутанности, называя ее «жутким действием на расстоянии». И все же многочисленные эксперименты подтверждали странные явления квантовой физики снова и снова — к примеру, советник Кренна Антон Цейлингер помог установить нынешний рекорд дистанции запутанности в 144 километра, от Ла-Пальма до Тенерифе на Канарских островах.

Кренн и его коллеги столкнулись с проблемой создания сложной формы запутанности, где три объекта разделяют три свойства. Спустя недели попыток создать так называемое состояние Гринбергера — Хорна — Цейлингера, Кренн сказал, что понял: его интуиция не работает, поэтому «может сработать более радикальный подход».

Ответом стала программа Кренна под названием MELVIN. Программное обеспечение берет строительные блоки квантовых экспериментов — зеркала и голограммы — и виртуально расставляет эти элементы, чтобы найти неинтуитивные конфигурации, которые помогут ученым достичь своих целей, вроде особого квантового состояния. Как только она находит рабочий результат, она автоматически упрощает дизайн и отправляет ученым. «Я запустил программу вечером и к следующему утру, после нескольких сотен тысяч разных попыток, она нашла одно правильное решение, — говорит Кренн о первом использовании MELVIN. — Как вы понимаете, это был день, полный восторга». Ученые подробно описали свою работу в Physical Review Letters.

В другом испытании «Мелвина» ученые выяснили, что программа может брать наборы запутанных частиц и изменять их так, что они циклически меняются свойствами вроде поляризации между собой. Такие циклические операции могли бы помочь в создании невзламываемой квантовой криптографии, одного из важнейших потенциальных будущих применений суперпозиции и запутанности.

Ученые добавили, что MELVIN пришел к неожиданным решениям, до которых они сами не додумались бы. К примеру, 50 из 51 экспериментов, разработанных программой для создания состояния ГХЦ, включали направление запутанного светового пучка прямо на детектор, который не взаимодействовал с другими пучками и компонентами эксперимента. «Я до сих пор с трудом понимаю конечное решение, хотя идеально могу его просчитать», говорит Кренн.

MELVIN начинает со случайной перетасовки компонентов, но «учится на собственном опыте», говорит Кренн. «Это означает, что если он нашел одно хорошее решение, он сохраняет хорошее решение и может использовать его для грядущих экспериментов. Это ускоряет его работу в несколько раз».

Николя Гизин, физик Женевского университета, отвечая на вопрос о пользе или бесполезности результатов MELVIN, сказал, что «не впечатлен». И выразил уверенность, что работа ученых вызовет кучу споров.

А вот квантовый физик Сет Ллойд из Массачусетского технологического института, который тоже не принимал участия в исследовании, считает MELVIN хорошей идеей. «Действительно, странная природа квантовой механики затрудняет генерацию идей для экспериментов», говорит Ллойд. Тем не менее он тоже не считает MELVIN каким-то прорывом, указывая на то, что ученые давно используют компьютеры для имитации свойств лекарств и других молекул перед их производством. Но этот метод обладает потенциалом помочь в создании сложных квантовых состояний. «Было бы замечательно найти новые состояния с совершенно неожиданными свойствами».