IA projeta experimentos de física quântica além do que qualquer ser humano já concebeu

Originalmente construído para acelerar os cálculos, um sistema de aprendizado de máquina está fazendo um progresso surpreendente nos limites da física quântica experimental.

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Crédito: Getty Images.

Por Anil Ananthaswamy
Publicado na Scientific American

O físico quântico Mario Krenn se lembra de estar sentado em uma cafeteria em Viena no início de 2016, debruçado sobre páginas impressas de seu 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 dos experimentos quânticos padrão e encontrar soluções para novos problemas. E encontrou muitas outras interessantes. Mas havia uma que não fazia sentido.

“A primeira coisa que pensei foi: ‘Meu programa tem um bug, porque a solução não pode existir’”, disse Krenn. MELVIN aparentemente resolveu o problema de criar estados emaranhados altamente complexos envolvendo vários fótons (estados emaranhados sendo aqueles que uma vez fizeram Albert Einstein invocar o espectro da “ação fantasmagórica à distância”). Krenn e seus colegas não forneceram explicitamente ao MELVIN as regras necessárias para gerar tais estados complexos, mas ele encontrou uma maneira de fazer isso. Eventualmente, ele percebeu que o algoritmo havia redescoberto um tipo de arranjo experimental que havia sido criado no início dos anos 1990. Mas esses experimentos eram muito mais simples. MELVIN havia decifrado um quebra-cabeça muito mais complexo.

“Quando entendemos o que estava acontecendo, pudemos imediatamente generalizar [a solução]”, disse Krenn, que agora trabalha para a 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, Anton Zeilinger da Universidade de Viena e seus colegas refinaram seus algoritmos de aprendizado de máquina. Seu último esforço, uma IA chamada THESEUS, promete anda mais: é ordens de magnitude mais rápida do que MELVIN, e os humanos podem facilmente analisar sua produção. Embora Krenn e seus colegas levem dias ou até semanas para entender as artimanhas de MELVIN, eles podem descobrir quase imediatamente o que THESEUS está dizendo.

“É um trabalho incrível”, disse 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 feito por Krenn e Zeilinger, mas não esteve diretamente envolvido nesses esforços.

Krenn tropeçou em todo este programa de pesquisa um tanto 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 se tornam emaranhados, e ambos só podem ser matematicamente descrito usando um único estado quântico compartilhado. Se você medir o estado de um fóton, a medição instantaneamente determina o estado do outro, mesmo que os dois estejam a quilômetros de distância (daí os comentários irônicos de Einstein sobre o emaranhamento ser “assustador”).

Em 1989, três físicos – Daniel Greenberger, o falecido Michael Horne e Zeilinger – descreveram um estado emaranhado que veio a ser conhecido como “GHZ” (após 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 paper, o estado GHZ envolveu o emaranhamento de quatro qubits de modo que todo o sistema estava 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 se aplica ao estado 1. No final da década de 1990, Zeilinger e seus colegas observaram experimentalmente os estados GHZ usando três qubits pela primeira vez.

Krenn e seus colegas buscavam estados GHZ de dimensões superiores. Eles queriam trabalhar com três fótons, onde cada fóton tivesse uma dimensionalidade de três, o que significa que poderia estar em uma superposição de três estados: 0, 1 e 2. Esse estado quântico é chamado de qutrit. O emaranhado que a equipe buscava era um estado GHZ tridimensional que era uma superposição dos estados 000, 111 e 222. Tais estados são ingredientes importantes para comunicações quânticas seguras e para uma 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?’”, disse Krenn.

Para acelerar o processo, Krenn primeiro escreveu um programa de computador que fez uma configuração experimental e calculou o resultado. Em seguida, ele atualizou o programa para permitir que ele incorpore em seus cálculos os mesmos blocos de construção que os experimentadores usam para criar e manipular fótons em uma mesa óptica: lasers, cristais não lineares, divisores de feixe, deslocadores de fase, hologramas e semelhantes. O programa pesquisou em um grande espaço de configurações misturando e combinando aleatoriamente os blocos de construção, executou os cálculos e mostrou os resultados. E assim, MELVIN nasceu. “Em poucas horas, o programa encontrou uma solução que nós cientistas – três experimentalistas e um teórico – não podíamos encontrar por meses”, disse Krenn. “Foi um dia louco. Eu não pude 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 se lembra disso e tenta reutilizá-lo para soluções mais complexas”, disse Krenn.

Foi esse MELVIN mais evoluído que deixou Krenn coçando a cabeça em uma cafeteria de Viena. Ele o configurou para funcionar 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 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”, disse Krenn.

Eventualmente, ele descobriu que MELVIN tinha usado uma técnica que várias equipes desenvolveram há quase três décadas. Em 1991, um método foi desenvolvido por Xin Yu Zou, Li Jun Wang e Leonard Mandel, todos da Universidade de Rochester, nos Estados Unidos. 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 desenvolveram é mais simples de entender. Ela começa com um cristal que gera um par de fótons (A e B). As trajetórias desses fótons passam por outro cristal, que também pode gerar dois fótons (C e D). As trajetórias do fóton A do primeiro cristal e do fóton C do segundo se sobrepõem com exatidão e levam ao mesmo detector. Se esse detector fizer um “clique”, é impossível dizer se o fóton se originou do primeiro ou do segundo cristal. O mesmo vale para os fótons B e D.

Um deslocador de fase é um dispositivo que aumenta efetivamente a trajetória que um fóton percorre como uma fração de seu comprimento de onda. Se você introduzisse um deslocador de fase ema uma das trajetórias entre os cristais e mantivesse a mudança na quantidade de deslocamento de fase, poderia causar interferência construtiva e destrutiva nos detectores. Por exemplo, cada um dos cristais pode gerar, digamos, 1.000 pares de fótons por segundo. Com interferência construtiva, os detectores registrariam 4.000 pares de fótons por segundo. E com a interferência destrutiva, eles não detectariam nenhum: o sistema como um todo não criaria nenhum fóton, embora os cristais individuais gerassem 1.000 pares por segundo. “Isso é realmente muito louco, quando você pensa sobre isso”, disse Krenn.

A solução incrível de MELVIN envolveu essas trajetórias sobrepostas. 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, ele os prendeu dentro de um interferômetro (um dispositivo que divide a trajetória de, digamos, um fóton em duas e então as 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 forma que suas trajetórias para os detectores se sobrepusessem. A configuração pode ser usada para gerar estados emaranhados de alta dimensão.

A física quântica Nora Tischler, que era estudante de Ph.D. trabalhando com Zeilinger em um tópico não relacionado na época em que o MELVIN estava sendo testado, estava prestando atenção a esses desenvolvimentos. “Ficou bem claro desde o início que tal experimento não existiria se não tivesse sido descoberto por um algoritmo”, disse ela.

Além de gerar estados emaranhados complexos, a configuração usando mais de dois cristais com trajetórias sobrepostas pode ser empregada para realizar uma forma generalizada dos experimentos de interferência quântica de Zeilinger de 1994 com dois cristais. Aephraim Steinberg, um experimentalista da Universidade de Toronto, que é colega de Krenn, mas não trabalhou nesses projetos, está impressionado com o que a IA descobriu. “Esta é uma generalização que (pelo que eu sei) nenhum ser humano sonhou nas décadas seguintes – e talvez nunca – em conceber”, disse ele. “É um primeiro exemplo maravilhoso do tipo de novas explorações que essas máquinas pensantes podem nos levar”.

Em uma configuração generalizada com quatro cristais, cada um gerando um par de fótons e trajetórias sobrepostas que levam a quatro detectores, a interferência quântica pode criar situações em que todos os quatro detectores “clicam” (interferência construtiva) ou nenhum deles “clicam” (interferência destrutiva).

Mas, até recentemente, realizar tal experimento era um sonho distante. Então, em um paper pré-publicado 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 realizou o experimento. Os pesquisadores coletaram dados por mais de 16 horas: uma façanha possível por causa da 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 precisamente alinhados em uma mesa óptica, disse Steinberg. Além disso, “um único elemento óptico oscilando por um milésimo do diâmetro de um cabelo humano durante essas 16 horas pode ser suficiente para eliminar o efeito”, disse 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 de grafos, que contêm vértices e arestas e são usadas para representar relações de pares entre objetos. Para esses experimentos quânticos, cada trajetória que um fóton percorre é representada por um vértice. E um cristal, por exemplo, é representado por uma aresta conectando dois vértices. MELVIN primeiro produziu tal grafo e então executou uma operação matemática nele. A operação, chamada de “combinação perfeita”, envolve a geração de um grafo equivalente no qual cada vértice é 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 grafos muito mais simples separando o primeiro grafo complexo que representa uma solução que ele 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 grafos são mais simples do que os grafos de combinação perfeita do MELVIN, por isso é ainda mais fácil entender qualquer solução gerada por IA.

Renner está particularmente impressionado com os resultados interpretáveis ​​por humanos de THESEUS. “A solução foi projetada de forma que o número de conexões no grafo seja minimizado”, afirmou. “E essa é, naturalmente, uma solução que podemos entender melhor do que se você tivesse um grafo muito complexo”.

Eric Cavalcanti, da Universidade Griffith, na Austrália, está impressionado com o trabalho e circunspecto a respeito. “Essas técnicas de aprendizado de máquina representam um desenvolvimento interessante. Para um cientista humano que olha os dados e os interpreta, algumas das soluções podem parecer novas soluções ‘criativas’. Mas, neste estágio, esses algoritmos ainda estão longe de um nível em que se possa dizer que estão tendo ideias realmente novas ou surgindo com novos conceitos”, disse ele. “Por outro lado, acho que um dia eles vão chegar lá. Então, esses são passos de bebê – mas temos que começar de algum lugar”.

Steinberg concorda. “Por enquanto, eles são ferramentas incríveis”, disse ele. “E como todas as melhores ferramentas, eles já nos permitem fazer algumas coisas que provavelmente não teríamos feito sem eles”.