Inteligência Articial fez cálculos de física quântica impossível para humanos

O físico quântico Mario Kreen lembra de estar sentado em uma cafeteria em Viena no início de 2016, estudando bastante sobre seu computador, tratando de dar sentido ao que MELVIN havia encontrado. 
MELVIN era um algoritmo de aprendizagem automática que Kreen havia construído, uma espécie de inteligência artificial. Seu trabalho consistia em misturar e combinar os componentes básicos dos experimentos quânticos padrão e encontrar soluções para novos problemas. 
 O sistema encontrou muitas coisas interessantes. Mas havia um que não teria sentido.
 “O primeiro que pensei foi: "Meu programa tem um erro, porque a solução não pode existir", disse Kreen. MELVIN aparentemente havia resolvido o problema de criar estados entrelaçados altamente complexos que envolvia vários fótons (os estados entrelaçados são aqueles que uma vez fizeram que Albert Einstein falasse sobre o espectro da "ação assustadora a distância").
Kreen e seus colegas não lhe haviam proporcionado explicitamente a MELVIN as regras necessárias para gerar estados mutis complexos, mas havia encontrado a melhor maneira para começar. Finalmente, se deu conta de que o algoritmo havia redescoberto um tipo de arranjo experimental que havia idealizado no início da década de 1990.
Mas esses experimentos haviam sido muito mais sensível. MELVIN havia resolvido um quebra-cabeça muitos mais complexo.

"Quando compreendemos o que estava acontecendo, podemos generalizar de imediato a solução", disse Kreen, que agora trabalha na Universidade de Toronto. Desde então, outras equipes começaram a realizar os experimentos identificados por MELVIN , o que lhe permite provar os fundamentos conceptuais da mecânica quântica de novas formas. Entretanto, Kreen, Anton Zeilenger da Universidade de Viena e seus colegas pressionaram seus algoritmos de aprendizagem automática. Seu último esforço, uma Inteligência Artificial chamada THESEUS, subiu a aposta: são ordens de magnitude mais rápida que o MELVIN , e os humanos puderam analisar facilmente sua saída.
Se bem que Kreen e seus colegas levaria dias ou inclusive semanas para compreender as divagações de MELVIN, puderam compreender quase de imediato o que disse THESEUS.

"É um trabalho assustador", disse o físico quântico teórico Renato Renner do Instituto de Física Teórica do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurich, que revisou um estudo de 2020 sobre o THESEUS de Kreen e Zeilinger mas no participou diretamente nesses esforços.

 Kreen atropelou com todo esse programa de investigação um tanto por acidente quando ele e seus colegas estavam tratando de descobrir como criar experimentalmente estados quânticos de fótons entrelaçados de uma maneira muito particular: quando dois fótons interagem, se entrelaçam, e ambos somente podem ser matematicamente descritos usando somente um estado quântico compartilhado.

Se mede o estado de um fóton, a medição fixa instantaneamente o estado do outro inclusive se os dois estão a quilômetros de distância (por causa dos comentários sarcástico de Einstein sobre o entrelaçamento é arrepiante).

Em 1989, três físicos - Daniel Greenberger, o falecido Michael Horne e Zeilinger - descreveram um estado entrelaçado que chegou a ser conhecido como "GHZ" (depois de suas iniciais). Que envolve quatro fótons, cada um das quais poderia estar em uma  sobreposição quântica, de digamos, dois estados, 0 y 1 (um estado quântico chamado qubit). Em seu artículo, o estado GHZ implicava entrelaçar quatro qubits de modo que todo o sistema estava em uma sobreposição quântica bidimensional dos estados 0000 e 11111.

Se medir um dos fótons e o encontrar no estado 0, a sobreposição colapsaria e os outros fótons também estaria no estado 0. 

O mesmo ocorre com o estado 1.

No finais da década de 1990, Zeilinger e seus colegas observaram experimentalmente estados GHZ utilizando três qubits pela primeira vez.

Kreen e seus colegas apontam a estados GHZ de dimensões mais altas. Queriam trabalhar com três fótons, onde cada fóton tinha uma dimensionalidade de três, o que significaria que poderia estar em uma sobreposição de três estados: 0, 1 e 2. Esse estado quântico é chamado qutrit. O entrelaçamento que buscava a equipe era um estado GHZ tridimensional que era uma sobreposição dos estados 000, 111 e 222.

Esses estados são ingredientes importantes para comunicações quânticas seguras e uma computação quântica mais rápida. Nos finais de 2013, os investigadores passaram semanas desenhando experimentos em quadro negros e fazendo cálculos para ver se suas configurações podiam gerar os estados quânticos requeridas. 

Mas cada vez eles falharam. "Pensei: Isso é absolutamente uma loucura. Porque não ocorre uma configuração?", disse Kreen.

Para acelerar o processo, Kreen escreveu primeiramente um programa de computador que tomou uma configuração experimental e calculou o resultado. Depois atualizou o programa para permitir-lhe incorporar em seus cálculos os mesmos blocos de construção que os experientes usam para criar e manipular fótons em um banco ótico: lasers, cristais não lineares, divisores de feixe, defasadores, hologramas e outros tipos de tecnologias. 

O programa buscou em um grande espaço de configurações misturando e fazendo coincidir aleatoriamente os blocos de construção, realizou cálculos e mostrou o resultado. Nasceu MELVIN.

"Em poucas horas, o programa encontrou uma solução que nós, os científicos, três experimentadores e um teórico, não pudemos encontrar durante meses", disse Kreen. "Esse foi um dia muito louco. Não podíamos acreditar que isso aconteceria".

Depois lhe deu a MELVIN mais inteligência. Cada vez que encontrava uma configuração de algo útil. MELVIN adicionava essa configuração em sua caixa de ferramentas. "O algoritmo arnazena as informações e tenta reutilizar-lo para soluções mais complexas", disse Kreen.

Foi o MELVIN mais evoluído que deixou a Kreen coçando a cabeça em uma cafeteria em Viena. Ele havia colocado em andamento com uma caixa de ferramenta experimental que continha dois cristais, cada um capaz de gerar um par de fótons entrelaçados em três dimensões. 

A ingênua expectativa de Kreen era que o MELVIN encontraria configurações que combinassem com esses pares de fótons para criar estados entrelaçados com ao menos nove dimensões. Mas "na realidade encontrou uma solução, um caso extremadamente raro, que tem um enredo muito maior que o resto dos estados", disse Kreen.

Finalmente, foi descoberto que MELVIN havia utilizado uma técnica que várias equipes desenvolveu há quase três décadas. Em 1991, Xin Yu Zou, Li Jun Wang e Leonard Mandel desenharam um método, todas na Universidade de Rochester. E em 1994 Zeilenger, então na Universidade de Innsbruck na Áustria e seus colegas idealizaram outro.

Conceitualmente, esses experimentos tentaram algo igual, mas a configuração que tinha feito Zeilenger e seus colegas é mais fácil de entender. Começa com um cristal que gera um par de fótons (A e B). Os caminhos desses fótons passaram diretamente através de outro cristal, que também pode gerar dois fótons (C e D). Os caminhos de fóton A do primeiro cristal e do fóton C do segundo se sobrepõe exatamente e conduzem ao mesmo detector. Se esse detector faz clique, é impossível saber se o fóton se originou no primeiro cristal ou no segundo cristal. O mesmo ocorre com os fótons B e D. 

Um trocador de fase é um dispositivo que aumenta efetivamente o caminho que recorre um fóton como uma fração do seu comprimento de onda. Se introduzisse um trocador de fase em um dos caminhos entre os cristais e seguisse mudando a quantidade de mudança de fase, poderia causar uma interferência construtiva e destrutiva nos detectores. Por exemplo, cada um dos cristais poderia gerar, digamos, 1.000 pares de fótons por segundo. Co interferência construtiva, os detectores registrariam 4.000 apres de fótons por segundo. E com uma interferência destrutiva, não detectaria nenhum: o sistema em seu conjunto não criaria nenhum fóton a pesar de que os cristais individuais estariam gerando 1.000 pares por segundo. "Isso é realmente uma loucura, quando pensar nisso", disse Kreen.

A solução de MELVIN envolveu caminhos sobreposto. O que havia abalado a Kreen era que o algoritmo somente tinha dois cristais em sua caixa de ferramentas.  E em lugar de usar esses cristais no começo da configuração experimental, os havia encaixado dentro de um interferometro (um dispositivo que divide o caminho de, digamos, um fóton em dois e depois os recombina). Depois de muitos esforços, se deu conta  de que a configuração que havia encontrado MELVIN era equivalente a uma que envolvia a mais de dois cristais, cada um dos quais gerava pares de fótons, de modo que seus caminhos em direção dos detectadores  se sobrepuseram. A configuração poderia ser usada para gerar estados entrelaçados de alta dimensão.

A física quântica Nora Tischler, que era Ph.D. Um estudante que trabalhava com Zeilinger em uma tema não relacionada quando MELVIN estava sendo colocado em prova, estava prestando atenção a esses desenvolvimentos. "Foi algo claro desde o início desde que o experimento não existiria se não houvesse sido descoberto por um algoritmo".

Além de gerar estados completos entrelaçados, a configuração que utiliza mais de dois cristais, com trajetórias sobreposta 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 Kreen mais não trabalhou nesses projetos, está impressionado por que encontra na IA. "Essa é uma generalização que nenhum ser humano sonhou nas  décadas intermediárias e talvez nunca houvesse acontecido". 

"É um magnífico primeiro exemplo do tipo de novas explorações nas quais essas máquinas pensantes podem nos levar".

Em uma configuração generalizada desse tipo com quatro cristais, cada um dos quais gerava um par de fótons e caminhos sobrepostos que conduzem a quatros detectores, a interferência quântica pode criar situações nas quais os quatros detectores fazem clique (interferência construtiva) ou nenhum deles fazem com (interferência destrutiva).

Até pouco tempo, realizando tal experimento seguia sendo um sonho distante, Depois, em um articulo de pré impressão de março, uma equipe dirigido por Lan-Tian Feng da Universidade de Ciência e Tecnologia de China, em colaboração com Kreen, informou que eles tinha fabricado toda a configuração somente em um chip fotópico e tinha realizado o tal experimento. Os investigadores recopilaram dados durante mais de 16 horas: uma façanha possível graças à incrível estabilidade ótica do chip fotônico, algo, que havia sido impossível conseguir em um experimento de mesa a maior escala. Para começar, a configuração requeria um metro quadrado de elementos óticos alienados com precisão em um banco ótico, disse Steinberg. Além disso, "somente um elemento ótico que é movido em uma milésima parte do diâmetro de um cabelo humano durante essas 16 horas poderia ser suficiente para eliminar o efeito", disse.

Durante as primeiras tentativas de simplificar e generalizar o que havia encontrado MELVIN, Kreen e seus colegas se deram conta de que a solução se parecia a formas matemática abstratas chamadas gráficas, que contêm vértices e aristas e se utilizam para representar relações por pares entre objetos. Para esses experimentos quânticos, cada caminho que toma um fóton está representado por um vértice. E um cristal, por exemplo, está representado por um bordo que conecta dois vértices. MELVIN primeiro produziu um gráfico desse tipo e depois realizou uma operação matemática nele. A operação, chamada "coincidência perfeita", implica gerar um gráfico equivalente que a cada vértice está conectado a um só borda. Esse processo facilita muito o cálculo do estado quântico, embora ainda é difícil de entender para os humanos.

Essa mudança com o sucessor de MELVIN, o THESEUS, que gera gráficos muito mais simples ao jogar o primeiro gráfico complexo que representa uma solução que encontra até o número mínimo de arestas e vértices (de modo que qualquer eliminação adicional destrói a capacidade da configuração para gerar os estados quânticos desejados). Tais gráficos são mais simples que os gráficos de coincidência perfeita de Melvin, por que é ainda mais fácil entender qualquer solução gerada pela Inteligência Artificial.

Renner está particularmente impressionado pelos resultados interpretáveis por humanos de THESEUS. "A solução está desenhada de tal maneira que se minimiza o número de conexões no gráfico", disse, "E essa é, naturalmente, uma solução que podemos compreender melhor que se tivesse um gráfico muito complexo".

Eric Cavalcanti, da Universidade Griffith na Austrália, está impressionado pelo trabalho e é circunspecto ao respeito. "Essas técnicas de aprendizagem automática representam um desenvolvimento interessante. Para um científico humano que olho os dados e interpretam, alguns das soluções podem aparecer novas soluções "criativas". Mas nessa etapa, esses algoritmos ainda estão longe de um nível no qual podia dizer que estão tendo idéias realmente novas ou que estão gerando novos conceitos”, disse.

 “Por outro lado, acredito que algum dia chegaria ali. Assim que esses são pequenos passos, mas temos que começar por algum lado".

Steinberg está de acordo. "Por agora, são ferramenta incríveis", disse. "E como todas as melhores ferramentas, já nos permitem fazer algumas coisas que provavelmente não teria feito sem elas".

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