Σάββατο 7 Αυγούστου 2021 - Κυριακή 8 Αυγούστου 2021
ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
Σελίδα 28
ΠΟΙΚΙΛΗΣ ΥΛΗΣ - ΕΠΙΣΤΗΜΗ
Τεχνητή Νοημοσύνη σχεδιάζει πειράματα κβαντικής φυσικής που δεν είχε φανταστεί άνθρωπος

Νωρίς το 2016, ο κβαντικός φυσικός Μάριο Κρεν θυμάται να ψάχνει μέσα σε μια στίβα εκτυπώσεις υπολογιστή, για να καταλάβει τι είχε ανακαλύψει ο MELVIN. Ο MELVIN ήταν ένας αλγόριθμος μηχανικής μάθησης που είχε κατασκευάσει ο ίδιος, δηλαδή ένα είδος Τεχνητής Νοημοσύνης (ΤΝ). Δουλειά του ήταν να ταιριάξει τυπικά δομικά στοιχεία κβαντικών πειραμάτων, ώστε να βρει λύσεις σε νέα προβλήματα. Και βρήκε αρκετές και ενδιαφέρουσες, αλλά μία από τις λύσεις δεν έβγαζε νόημα. Ο Κρεν σκέφτηκε ότι το πρόγραμμά του είχε κάποιο λάθος. Ο MELVIN φαινόταν να έχει λύσει ένα πρόβλημα δημιουργίας πολύ σύνθετων καταστάσεων κβαντικής διεμπλοκής. Ο Κρεν, ο Α. Ζίλινγκερ του Πανεπιστημίου της Βιέννης και οι συνάδελφοί τους δεν είχαν δώσει στον MELVIN τους κανόνες για να δημιουργήσει τέτοιες σύνθετες καταστάσεις, ωστόσο η ΤΝ βρήκε τρόπο να το κάνει. Στην πορεία ο Κρεν κατάλαβε πως ο MELVIN είχε ανακαλύψει ξανά έναν τύπο πειραματικής διάταξης που είχε εφευρεθεί στις αρχές της δεκαετίας του 1990. Αλλά αυτά τα πειράματα ήταν πολύ πιο απλά - ο MELVIN είχε λύσει ένα πολύ πιο σύνθετο αίνιγμα.

Αλλες ερευνητικές ομάδες άρχισαν να πραγματοποιούν τα πειράματα που προδιέγραψε ο MELVIN και μέσω αυτών να ελέγχουν τις εννοιολογικές βάσεις της κβαντικής μηχανικής με νέους τρόπους. Στο μεταξύ ο Κρεν με τους συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο βελτίωσε τους αλγόριθμους μηχανικής μάθησης που χρησιμοποιούσε, με αποκορύφωμα μια νέα ΤΝ, τον THESEUS (Θησέας), που είναι τάξεις μεγέθους πιο γρήγορος από τον MELVIN και παράγει αποτελέσματα πολύ πιο εύκολα κατανοητά από τους ανθρώπους. Αντί για μέρες ή βδομάδες που απαιτούνταν για την κατανόηση ενός αποτελέσματος του MELVIN, τώρα οι επιστήμονες μπορούν σχεδόν αμέσως να καταλάβουν τι «λέει» ο THESEUS.

Αδιέξοδο

Ο Κρεν σκόνταψε σε όλο αυτό το ερευνητικό πρόγραμμα εντελώς τυχαία, όταν αυτός και μερικοί συνάδελφοί του προσπαθούσαν να συμπεράνουν πώς θα δημιουργούσαν πειραματικά κβαντικές καταστάσεις φωτονίων, που θα εκδήλωναν διεμπλοκή με έναν πολύ συγκεκριμένο τρόπο: Οταν δύο φωτόνια αλληλεπιδρούν, διεμπλέκονται και μπορούν να περιγραφούν μαθηματικά με μία και μόνη, κοινή και για τα δύο, κβαντική κατάσταση. Η κατάσταση κβαντικής διεμπλοκής εξασφαλίζει ότι και τα δύο φωτόνια εμφανίζουν τις ίδιες τιμές της κβαντικής τους κατάστασης, όσο μακριά κι αν βρίσκονται το ένα από το άλλο.

Το 1989 τρεις φυσικοί περιέγραψαν μια κατάσταση κβαντικής διεμπλοκής που ονομάστηκε GHZ (από τα αρχικά των ονομάτων τους) και περιλάμβανε τέσσερα φωτόνια, καθένα από τα οποία μπορεί να είναι σε κβαντική υπέρθεση δύο καταστάσεων, π.χ. είτε 0 είτε 1 (μια κβαντική κατάσταση ονομάζεται qubit). Σε δημοσίευσή τους, η κατάσταση GHZ περιλάμβανε διεμπλοκή τεσσάρων qubit, έτσι που το συνολικό σύστημα να βρίσκεται σε κβαντική υπέρθεση δύο καταστάσεων, είτε 0000 είτε 1111. Αν ένα από τα φωτόνια βρισκόταν στην κατάσταση 0, τότε και τα υπόλοιπα θα βρίσκονταν σε κατάσταση 0, και αντίστοιχα για την κατάσταση 1.

Ο Κρεν και οι συνάδελφοί του σκόπευαν σε καταστάσεις GHZ υψηλότερων διαστάσεων. Ηθελαν να δουλέψουν με τρία φωτόνια, καθένα από τα οποία είχε τρεις διαστάσεις, δηλαδή μπορούσε να βρίσκεται σε υπέρθεση των καταστάσεων 0, 1 και 2. Αυτή η κβαντική κατάσταση ονομάζεται qutrit. Η διεμπλοκή που επεδίωκαν ήταν μια τρισδιάστατη κατάσταση GHZ, υπέρθεση των καταστάσεων 000, 111 και 222. Αυτές οι καταστάσεις είναι σημαντικά στοιχεία για ασφαλείς κβαντικές τηλεπικοινωνίες και πιο γρήγορους υπολογισμούς σε κβαντικούς υπολογιστές. Προς τα τέλη του 2013, οι ερευνητές επί βδομάδες προσπαθούσαν να σχεδιάσουν πειράματα και να κάνουν τους υπολογισμούς που θα οδηγούσαν σε πειραματική διάταξη επιβεβαίωσης των κβαντικών καταστάσεων. Αλλά αποτύγχαναν.

Αλγόριθμος

Για να επιταχύνει τη διαδικασία, ο Κρεν έγραψε ένα πρόγραμμα υπολογιστή που δεχόταν ως είσοδο την πειραματική διάταξη και υπολόγιζε το αποτέλεσμα. Στη συνέχεια το αναβάθμισε, ώστε να μπορεί να περιλαμβάνει στους υπολογισμούς του τα δομικά στοιχεία των πειραμάτων: Λέιζερ, μη γραμμικούς κρυστάλλους, διαχωριστές ακτίνων, τροποποιητές φάσεων, ολογράμματα κ.λπ. Το πρόγραμμα έψαχνε ένα μεγάλο φάσμα διατάξεων, αναμειγνύοντας τυχαία διάφορα μπλοκ και ταιριάζοντάς τα με άλλα, κάνοντας τους υπολογισμούς και βγάζοντας το αποτέλεσμα. Ηταν ο MELVIN. Μέσα σε μερικές ώρες το πρόγραμμα βρήκε μια λύση που οι επιστήμονες - τρεις πειραματιστές και ένας θεωρητικός - δεν μπορούσαν να βρουν επί μήνες.

Αργότερα έκανε τον MELVIN πιο έξυπνο: Οποτε ανακάλυπτε μια διάταξη που έκανε κάτι χρήσιμο, ο MELVIN την προσέθετε στη «φαρέτρα» του, έτσι που να μπορεί να την ξαναχρησιμοποιήσει, ώστε να φτιάξει κάτι πιο σύνθετο. Αυτός ο βελτιωμένος MELVIN ήταν που έκανε τον Κρεν να κάνει ανασκαφές μέσα στις εκτυπώσεις για να καταλάβει τι είχε παράξει. Του είχε δώσει μια διάταξη με δύο κρυστάλλους, από τους οποίους ο Κρεν θεωρούσε ότι μπορούσαν να παραχθούν φωτόνια που θα είχαν το πολύ 9 διαστάσεις. Ομως ο MELVIN, αντί να χρησιμοποιήσει τους δύο κρυστάλλους στην αρχή της διάταξης, όπως γίνεται συνήθως, τους είχε βάλει μέσα σε ένα συμβολόμετρο (συσκευή που χωρίζει τη διαδρομή ενός φωτονίου στα δύο και μετά την ξανασυνθέτει). Αυτή η διάταξη ήταν ισοδύναμη με μια άλλη, που περιλαμβάνει πάνω από δύο κρυστάλλους, και έτσι μπορούσε να παράξει φωτόνια με μεγάλο αριθμό διαστάσεων.

Εκτιμήσεις

Η κβαντική φυσικός Νόρα Τίτσλερ θεωρεί ότι ένα τέτοιο πείραμα δεν θα ήταν εφικτό να εφευρεθεί αν δεν το παρήγε κάποιος αλγόριθμος. Ο Εφραίμ Στάινμπεργκ, πειραματιστής του Πανεπιστημίου του Τορόντο, συμφωνεί ότι πρόκειται για μια γενίκευση που κανένας άνθρωπος δεν είχε σκεφτεί επί δεκαετίες και ίσως δεν θα σκεφτόταν ποτέ.

Στις πρώτες προσπάθειές τους να απλοποιήσουν και να γενικεύσουν αυτό που ανακάλυψε ο MELVIN, ο Κρεν και οι συνάδελφοί του συνειδητοποίησαν ότι η λύση έμοιαζε με τις μαθηματικές μορφές που ονομάζονται γράφοι. Ο MELVIN πρώτα παρήγαγε έναν τέτοιο πολύπλοκο γράφο και μετά πραγματοποίησε μαθηματικές λειτουργίες σε αυτόν, καταφέρνοντας να υπολογίσει ευκολότερα την κβαντική κατάσταση, αν και ο τρόπος αυτός είναι πιο δυσνόητος για τους ανθρώπους. Γι' αυτό ο διάδοχός του, ο THESEUS, παράγει πολύ πιο απλούς γράφους, αφαιρώντας απ' αυτούς τις μη ουσιαστικές κορυφές και άκρα (σε σημείο που οποιαδήποτε περαιτέρω απλοποίηση θα κατέστρεφε τη λύση). Ετσι είναι πολύ πιο εύκολο για τους επιστήμονες να καταλάβουν το νόημα της λύσης που παράγει η ΤΝ.

Ο Ρ. Ρένερ, του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Ζυρίχης, δηλώνει ενθουσιασμένος με την ευκολία κατανόησης των αποτελεσμάτων του THESEUS. Από την πλευρά του ο Ερικ Καβαλκάντι, του Πανεπιστημίου Γκρίφιθ της Αυστραλίας, είναι εντυπωσιασμένος από την όλη δουλειά των συναδέλφων του αλλά και επιφυλακτικός. «Μερικές από τις λύσεις μπορεί να φαίνονται "δημιουργικές" νέες λύσεις, αλλά σε αυτό το στάδιο αυτοί οι αλγόριθμοι απέχουν ακόμα από το επίπεδο που θα μπορούσε να ειπωθεί ότι έχουν πραγματικά νέες ιδέες ή ανακαλύπτουν νέες έννοιες. Πιστεύω όμως ότι μια μέρα θα το καταφέρουν». Ο Στάινμπεργκ συμφωνεί: «Προς το παρόν είναι απλώς αξιοθαύμαστα εργαλεία. Και όπως όλα τα καλά εργαλεία, μας επιτρέπουν να κάνουμε πράγματα που δεν θα μπορούσαμε χωρίς αυτά».


Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»


Κορυφή σελίδας

Διαβάστε στο «Ρ»

Ο καιρός
Weather data from openweathermap.org