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人工智能助力物理学家预言量子粒子行为奇异性

2016-05-04 07:25 大数据实验室
本文经机器之心(微信公众号:almosthuman2014)授权转载,禁止二次转载


选自ScientificAmerican


者:Charles Q. Choi

机器之心编译

编译:Chen Xiaoqing、微胖


研究人员利用人工智能来设计反直觉的实验,帮助他们预言量子粒子行为的奇异性。



实验装置 

照片:维也纳大学 Mehul Malik


量子物理可以超乎人们的直觉——甚至超乎像维也纳大学Mario Krenn这样的物理学家的想象。这种反直觉特性让学者们难以设计实验,探究这个领域。现在,为了避免人类直觉陷阱,Krenn和他的同事开发出一种计算机程序自动设计研究人员自己想不到的新的量子实验。


所有已知粒子行为方式都可以在量子物理学中得到解释。量子物理学作为物理学的一个分支,它的最大特点就是,在最小水平上,这个世界变成了一个模糊和奇异的地方。举个例子,组成这个宇宙的原子和其他基本粒子能够以所谓的叠加态存在,也就是说,它们可以在两个甚至更多的地方被同时观测到,或者同时朝着两个相反的方向旋转;有了量子纠缠的现象,两个或其他目标能够连接在一起,一个发生的状况会立刻影响到与之相连的任何事物,无论它们在宇宙中相距有多远。


即使是对科学家来说,量子物理的超现实主义本质也不容易理解。有关叠加态最著名的类比——薛定谔的猫,代表一只可以同时存在死亡和活着两种状态的猫,物理学家薛定谔提出这一类比旨在突出了叠加态概念的荒唐性,而不是要去推广它。另外,爱因斯坦反对量子纠缠概念也是出了名的,还把它叫做「幽灵超距作用」。然而,几十年来,很多实验都证实了量子物理学的奇怪现象——例如,Krenn的导师Anton Zeilinger帮助创造了目前量子纠缠的纪录距离——144公里,从西班牙的拉帕尔马到加拿大群岛的特内里费。



机械手在绘制量子实验设计

照片:维也纳大学Robert Fickler


Krenn和他的同事们在生成一种复杂形式的量子纠缠(三实体分享三种特性,three entities shared three properties)时遇到了问题。对生成这些所谓的Greenberger–Horne–Zeilinger (GHZ) 状态进行了数周有根据的猜测后,Krenn说,他意识到他的直觉没有用,「因此,也许一种更加激进的方式才有效果」。


答案就是一个Krenn名为MELVIN的程序。这种软件利用量子实验的共同建构模块(common building blocks),例如镜子与全息图,以及虚拟组织这些成分,去找到能达研究员所期望的任何目标的反直觉配置,如特殊量子状态。一旦它找到了一个有效的结果,它会自动简化设计并报告给科学家。「我在晚上开始运行程序,到了第二天早上,在数万个不同的实验后,它找到了一个正确解决方案」,Krenn提及他第一次利用MELVIN找到GHZ状态的时候说道,「你可以想象那是多么令人激动的一天。」他们在三月四号的《物理评论快报》上刊登了一篇论文,详细论述了他们的发现。


在MELVIN的另一个测试中,研究员发现这个程序可以利用多组纠缠态粒子并改变它们,因此,它们转换了特性,例如,以循环方式彼此极化(polarization)。这样的循环操作在近乎牢不可破的量子加密——叠加态与量子纠缠的未来主要应用之一——中非常有帮助。


科学家还补充说,MELVIN想出了处于预料的解决方案,他们是不可能想到这些解决方案的。例如,程序设计开发出来用于生成GHZ态的51个实验中,有50个包括了将纠缠光束直接照射到另一个与实验其他光束和成分没有相互作用的探测器上。Krenn说道:「我仍然觉得要直观理解这个最终方案非常困难,尽管我可以完美的计算它。」


MELVIN开始会随机选择组件,但是,「它能从经验中学习」,Krenn说道,「这意味着,如果它找到了一个很好的解决方案,它会储存这个方案然后在接下来的实验中利用它。显著将速度提升了不止一个数量级。」


然而,当问到MELVIN的结果是否都是反直观和有用的时候,日内瓦大学的物理学家Nicolas Gisin(他并没有参与此项目)说道:「我没有印象。」他还补充说:「这篇论文可能会引发大量争论。」


相反,来自MIT的量子物理学家Seth Lloyd(也没有参与此项目)认为,MELVIN 是一个很好的主意。「这是真的,量子力学的奇异特性让人们难以设计实验。」Llyod说道。较之长期以来,在生产制造之前,科学家如何使用计算机模拟药物和其他分子特性,他仍没发现MELVIN这一研究的突破性。但是,「这种方法有望帮助生成有用的复杂量子状态。」他补充道,「如果他们能够发现带有完全出乎意料特性的新奇状态,那会很棒。」




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