02/07/2022, por Anil Ananthaswamy - Originalmente construído para acelerar os cálculos, um sistema de aprendizado de máquina está fazendo um progresso chocante nas fronteiras da física quântica experimental. O físico quântico Mario Krenn se lembra de estar sentado em um café em Viena no início de 2016, debruçado sobre impressões de computador, tentando entender o que MELVIN havia encontrado. MELVIN era um algoritmo de aprendizado de máquina que Krenn havia construído, uma espécie de inteligência artificial.
Seu trabalho era misturar e combinar os blocos de construção de experimentos quânticos padrão e encontrar soluções para novos problemas. E encontrou muitos interessantes. Mas havia um que não fazia sentido. “A primeira coisa que pensei foi: 'Meu programa tem um bug porque a solução não pode existir'”, diz Krenn.
MELVIN aparentemente resolveu o problema de criar estados emaranhados altamente complexos envolvendo vários fótons (estados emaranhados são aqueles que uma vez fizeram Albert Einstein invocar o espectro da “ação assustadora à distância”). Krenn, Anton Zeilinger da Universidade de Viena e seus colegas não forneceram explicitamente ao MELVIN as regras necessárias para gerar estados tão complexos, mas encontraram uma maneira. Eventualmente, Krenn percebeu que o algoritmo havia redescoberto um tipo de arranjo experimental que havia sido criado no início dos anos 1990. Mas esses experimentos foram muito mais simples. MELVIN havia decifrado um quebra-cabeça muito mais complexo. “Quando entendemos o que estava acontecendo, conseguimos generalizar [a solução] imediatamente”, diz Krenn, que agora está na Universidade de Toronto.
Desde então, outras equipes começaram a realizar os experimentos identificados pelo MELVIN, permitindo-lhes testar os fundamentos conceituais da mecânica quântica de novas maneiras. Enquanto isso, Krenn, trabalhando com colegas em Toronto, refinou seus algoritmos de aprendizado de máquina. Seu último esforço, uma IA chamada THESEUS, aumentou a aposta: é ordens de magnitude mais rápida que o MELVIN, e os humanos podem analisar prontamente sua saída. Embora Krenn e seus colegas levassem dias ou até semanas para entender os meandros de MELVIN, eles podem quase imediatamente descobrir o que TESEU está dizendo. “É um trabalho incrível”, diz o físico quântico teórico Renato Renner, do Instituto de Física Teórica do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique, que revisou um estudo de 2020 sobre THESEUS, mas não esteve diretamente envolvido nesses esforços.
Krenn tropeçou em todo esse programa de pesquisa por acidente quando ele e seus colegas estavam tentando descobrir como criar experimentalmente estados quânticos de fótons emaranhados de uma maneira muito particular. Quando dois fótons interagem, eles ficam emaranhados e ambos podem ser descritos matematicamente usando apenas um único estado quântico compartilhado. Se você medir o estado de um fóton, a medição corrige instantaneamente o estado do outro, mesmo que os dois estejam a quilômetros de distância (daí os comentários zombeteiros de Einstein sobre o emaranhamento serem “assustadores”).
Em 1989, três físicos - Daniel Greenberger, o falecido Michael Horne e Zeilinger - descreveram um estado emaranhado que veio a ser conhecido como GHZ (depois de suas iniciais). Envolvia quatro fótons, cada um dos quais poderia estar em uma superposição quântica de, digamos, dois estados, 0 e 1 (um estado quântico chamado qubit). Em seu artigo, o estado GHZ envolvia o emaranhamento de quatro qubits de modo que todo o sistema estivesse em uma superposição quântica bidimensional dos estados 0000 e 1111. Se você medisse um dos fótons e o encontrasse no estado 0, a superposição entraria em colapso e os outros fótons também estariam no estado 0. O mesmo vale para o estado 1. No final da década de 1990, Zeilinger e seus colegas observaram experimentalmente estados GHZ usando três qubits pela primeira vez.
Krenn e seus colegas almejavam estados GHZ de dimensões superiores. Eles queriam trabalhar com três fótons, onde cada fóton tivesse uma dimensionalidade de três, ou seja, poderia estar em uma superposição de três estados: 0, 1 e 2. Esse estado quântico é chamado de qutrit. O emaranhamento que a equipe buscava era um estado GHZ tridimensional que era uma superposição dos estados 000, 111 e 222. Esses estados são ingredientes importantes para comunicações quânticas seguras e computação quântica mais rápida. No final de 2013, os pesquisadores passaram semanas projetando experimentos em quadros-negros e fazendo cálculos para ver se suas configurações poderiam gerar os estados quânticos necessários. Mas todas as vezes eles falharam. “Eu pensei: ‘Isso é absolutamente insano. Por que não podemos criar uma configuração? '”, diz Krenn.
Para acelerar o processo, Krenn primeiro escreveu um programa de computador que pegava uma configuração experimental e calculava a saída. Em seguida, ele atualizou o programa para permitir que incorporasse em seus cálculos os mesmos blocos de construção que os experimentadores usam para criar e manipular fótons em uma bancada óptica: lasers, cristais não lineares, divisores de feixe, deslocadores de fase, hologramas e similares. O programa pesquisou um grande espaço de configurações misturando e combinando aleatoriamente os blocos de construção, realizando os cálculos e cuspindo o resultado. MELVIN nasceu. “Em poucas horas, o programa encontrou uma solução que nós, cientistas – três experimentalistas e um teórico – não conseguimos encontrar por meses”, diz Krenn. “Foi um dia louco. Eu não podia acreditar que isso aconteceu.” Então ele deu a MELVIN mais inteligência. Sempre que encontrava uma configuração que fazia algo útil, o MELVIN adicionava essa configuração à sua caixa de ferramentas. “O algoritmo lembra disso e tenta reutilizá-lo para soluções mais complexas”, diz Krenn.
Foi esse MELVIN mais evoluído que deixou Krenn coçando a cabeça em um café vienense. Ele o colocou em funcionamento com uma caixa de ferramentas experimental que continha dois cristais, cada um capaz de gerar um par de fótons emaranhados em três dimensões. A expectativa ingênua de Krenn era que o MELVIN encontraria configurações que combinassem esses pares de fótons para criar estados emaranhados de no máximo nove dimensões. Mas “ele realmente encontrou uma solução, um caso extremamente raro, que tem um emaranhamento muito maior do que o resto dos estados”, diz Krenn.
Eventualmente, ele descobriu que o MELVIN havia usado uma técnica que várias equipes desenvolveram há quase três décadas. Em 1991, Xin Yu Zou, Li Jun Wang e Leonard Mandel, todos na Universidade de Rochester, desenvolveram um método. E em 1994 Zeilinger, então na Universidade de Innsbruck, na Áustria, e seus colegas criaram outro. Conceitualmente, esses experimentos tentaram algo semelhante, mas a configuração que Zeilinger e seus colegas criaram é mais simples de entender. Começa com um cristal que gera um par de fótons (A e B). Os caminhos desses fótons passam por outro cristal, que também pode gerar dois fótons (C e D). Os caminhos do fóton A do primeiro cristal e do fóton C do segundo se sobrepõem exatamente e levam ao mesmo detector. Se esse detector clicar, é impossível dizer se o fóton se originou do primeiro ou do segundo cristal. O mesmo vale para os fótons B e D.
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Um deslocador de fase é um dispositivo que efetivamente aumenta o caminho que um fóton percorre como uma fração de seu comprimento de onda. Se você introduzisse um deslocador de fase em um dos caminhos entre os cristais e continuasse alterando a quantidade de deslocamento de fase, poderia causar interferência construtiva e destrutiva nos detectores. Por exemplo, cada um dos cristais poderia gerar, digamos, 1.000 pares de fótons por segundo. Com interferência construtiva, os detectores registrariam 4.000 pares de fótons por segundo. E com interferência destrutiva, eles não detectariam nenhum: o sistema como um todo não criaria nenhum fóton, mesmo que cristais individuais gerassem 1.000 pares por segundo. “Isso é realmente muito louco, quando você pensa sobre isso”, diz Krenn.
A solução original do MELVIN envolvia esses caminhos sobrepostos. O que deixou Krenn confuso foi que o algoritmo tinha apenas dois cristais em sua caixa de ferramentas. E, em vez de usar esses cristais no início da configuração experimental, eles foram colocados dentro de um interferômetro (um dispositivo que divide o caminho de, digamos, um fóton em dois e depois os recombina). Depois de muito esforço, ele percebeu que a configuração que MELVIN havia encontrado era equivalente a uma envolvendo mais de dois cristais, cada um gerando pares de fótons, de modo que seus caminhos para os detectores se sobrepunham. A configuração pode ser usada para gerar estados emaranhados de alta dimensão.
A física quântica Nora Tischler, que era Ph.D. Um aluno que trabalhava com Zeilinger em um tópico não relacionado quando o MELVIN estava sendo testado, estava prestando atenção a esses desenvolvimentos. “Estava claro desde o início [que tal] experimento não existiria se não tivesse sido descoberto por um algoritmo”, diz ela.
Além de gerar estados emaranhados complexos, a configuração usando mais de dois cristais com caminhos sobrepostos pode ser empregada para realizar uma forma generalizada dos experimentos de interferência quântica de Zeilinger em 1994 com dois cristais. Aephraim Steinberg, um experimentalista que é colega de Krenn em Toronto, mas não trabalhou nesses projetos, está impressionado com o que a IA descobriu. “Esta é uma generalização que (que eu saiba) nenhum ser humano sonhou nas décadas seguintes e nunca poderia ter feito”, diz ele. “É um lindo primeiro exemplo do tipo de novas explorações que essas máquinas pensantes podem nos levar.”
Em uma dessas configurações generalizadas com quatro cristais, cada um gerando um par de fótons e caminhos sobrepostos que levam a quatro detectores, a interferência quântica pode criar situações em que todos os quatro detectores clicam (interferência construtiva) ou nenhum deles o faz (interferência destrutiva). Até recentemente, a realização de tal experimento permaneceu um sonho distante. Então, em um artigo de pré-impressão de março, uma equipe liderada por Lan-Tian Feng, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, em colaboração com Krenn, relatou que havia fabricado toda a configuração em um único chip fotônico e realizado o experimento. Os pesquisadores coletaram dados por mais de 16 horas: um feito possível devido à incrível estabilidade óptica do chip fotônico, algo que seria impossível de alcançar em um experimento de mesa em larga escala. Para começar, a configuração exigiria um metro quadrado de elementos ópticos alinhados com precisão em uma bancada óptica, diz Steinberg. Além disso, “um único elemento óptico oscilando ou flutuando em um milésimo do diâmetro de um fio de cabelo humano durante essas 16 horas pode ser suficiente para eliminar o efeito”, diz ele.
Durante suas primeiras tentativas de simplificar e generalizar o que MELVIN havia encontrado, Krenn e seus colegas perceberam que a solução se assemelhava a formas matemáticas abstratas chamadas gráficos, que contêm vértices e arestas e são usadas para representar relações de pares entre objetos. Para esses experimentos quânticos, cada caminho percorrido por um fóton é representado por um vértice. E um cristal, por exemplo, é representado por uma aresta que liga dois vértices. MELVIN primeiro produziu tal gráfico e depois realizou uma operação matemática nele. A operação, chamada de emparelhamento perfeito, envolve a geração de um grafo equivalente no qual cada vértice está conectado a apenas uma aresta. Esse processo torna o cálculo do estado quântico final muito mais fácil, embora ainda seja difícil para os humanos entenderem.
Isso mudou com o sucessor de MELVIN, THESEUS, que gera gráficos muito mais simples, eliminando o primeiro gráfico complexo que representa uma solução que encontra até o número mínimo de arestas e vértices (de modo que qualquer exclusão adicional destrói a capacidade da configuração de gerar os estados quânticos desejados ). Esses gráficos são mais simples do que os gráficos de correspondência perfeita do MELVIN, por isso é ainda mais fácil entender qualquer solução gerada por IA. Renner está particularmente impressionado com as saídas interpretáveis por humanos de TESEU. “A solução é projetada de forma que o número de conexões no grafo seja minimizado”, diz ele. “E essa é naturalmente uma solução que podemos entender melhor do que se você tivesse um gráfico muito complexo.”
Eric Cavalcanti, da Griffith University, na Austrália, está impressionado com o trabalho e cauteloso sobre ele. “Essas técnicas de aprendizado de máquina representam um desenvolvimento interessante. Para um cientista humano olhando para os dados e interpretando-os, algumas das soluções podem parecer novas soluções "criativas". Mas, nesta fase, esses algoritmos ainda estão longe de um nível em que se possa dizer que eles estão tendo ideias verdadeiramente novas ou apresentando novos conceitos”, diz ele. “Por outro lado, acho que um dia eles chegarão lá. Portanto, esses são passos de bebê - mas temos que começar de algum lugar. Steinberg concorda. “Por enquanto, eles são apenas ferramentas incríveis”, diz ele. “E como todas as melhores ferramentas, eles já nos permitem fazer algumas coisas que provavelmente não teríamos feito sem eles.”
Fonte: https://www.scientificamerican.com