يصمم الذكاء الاصطناعي تجارب فيزياء الكم تتجاوز ما يتصوره أي إنسان

بالعربي/ يتذكر عالم فيزياء الكم ماريو كرين أنه كان جالسًا في مقهى في فيينا في أوائل عام 2016 ، وهو يملأ مطبوعات الكمبيوتر ، في محاولة لفهم ما وجده ميلفن. كانت MELVIN عبارة عن خوارزمية للتعلم الآلي أنشأها Krenn ، وهي نوع من الذكاء الاصطناعي. كانت وظيفتها مزج ومواءمة اللبنات الأساسية للتجارب الكمية القياسية وإيجاد حلول للمشكلات الجديدة. وقد وجدت العديد من الأشياء المثيرة للاهتمام. لكن كان هناك شخص لا معنى له.

يقول Krenn: “أول شيء اعتقدته هو ،” برنامجي به خلل ، لأن الحل لا يمكن أن يكون موجودًا “. يبدو أن MELVIN قد حل مشكلة إنشاء حالات متشابكة شديدة التعقيد تتضمن فوتونات متعددة (الحالات المتشابكة هي تلك التي جعلت ألبرت أينشتاين يستحضر شبح ” العمل المخيف عن بعد “). لم يقدم Krenn و Anton Zeilinger من جامعة فيينا وزملاؤهم صراحةً MELVIN القواعد اللازمة لتوليد مثل هذه الحالات المعقدة ، ومع ذلك فقد وجدوا طريقة. في النهاية ، أدرك أن الخوارزمية قد أعادت اكتشاف نوع من الترتيب التجريبي الذي تم ابتكاره في أوائل التسعينيات. لكن تلك التجارب كانت أبسط بكثير. حل MELVIN لغزًا أكثر تعقيدًا بكثير.

يقول كرين ، الذي يعمل الآن في جامعة تورنتو: “عندما فهمنا ما كان يجري ، تمكنا على الفور من تعميم [الحل]”. منذ ذلك الحين ، بدأت فرق أخرى في إجراء التجارب التي حددها MELVIN ، مما سمح لهم باختبار الأسس المفاهيمية لميكانيكا الكم بطرق جديدة. وفي الوقت نفسه ، عمل كرين مع زملائه في تورنتو على تحسين خوارزميات التعلم الآلي الخاصة بهم. أحدث جهدهم ، وهو ذكاء اصطناعي يُدعى THESEUS ، قد رفع الرهان: إنه أسرع بكثير من MELVIN ، ويمكن للبشر تحليل نتاجه بسهولة. على الرغم من أن الأمر قد يستغرق من Krenn وزملائه أيامًا أو حتى أسابيع لفهم تعرجات MELVIN ، إلا أنه يمكنهم على الفور تقريبًا معرفة ما يقوله THESEUS.

يقول عالم فيزياء الكم النظري ريناتو رينر من معهد الفيزياء النظرية في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ: “إنه عمل مذهل” ، والذي راجع دراسة أجريت عام 2020 حول هذه الأجهزة ولكن لم يشارك بشكل مباشر في هذه الجهود.

عثر Krenn على هذا البرنامج البحثي بأكمله عن طريق الصدفة إلى حد ما عندما كان هو وزملاؤه يحاولون اكتشاف كيفية إنشاء حالات كمومية من الفوتونات بطريقة تجريبية متشابكة بطريقة خاصة جدًا: عندما يتفاعل فوتونان ، يصبحان متشابكين ، ويمكن أن يكون كلاهما رياضيًا فقط. وصفها باستخدام حالة كمية واحدة مشتركة. إذا قمت بقياس حالة أحد الفوتونين ، فإن القياس يعمل على إصلاح حالة الآخر على الفور حتى لو كان الاثنان على بعد كيلومترات (ومن هنا جاءت تعليقات أينشتاين الساخرة على أن التشابك “مخيف”).

في عام 1989 ، وصف ثلاثة فيزيائيين – دانيال جرينبيرجر ، الراحل مايكل هورن وزيلينجر – حالة التشابك التي أصبحت تُعرف باسم “GHZ” (بعد الأحرف الأولى من اسمهم). اشتملت على أربعة فوتونات ، كل منها يمكن أن يكون في حالة تراكب كمي ، على سبيل المثال ، حالتين ، 0 و 1 (حالة كمية تسمى كيوبت) . في ورقتهم ، تضمنت حالة GHZ تشابك أربعة كيوبتات بحيث يكون النظام بأكمله في تراكب كمي ثنائي الأبعاد للحالتين 0000 و 1111. إذا قمت بقياس أحد الفوتونات ووجدته في الحالة 0 ، فإن التراكب سينهار ، و ستكون الفوتونات الأخرى أيضًا في الحالة 0. الشيء نفسه ينطبق على الحالة 1. في أواخر التسعينيات ، لاحظ زيلنجر وزملاؤه حالات GHZ بشكل تجريبي باستخدام ثلاثة كيوبتات لأول مرة .

كان Krenn وزملاؤه يهدفون إلى حالات GHZ ذات الأبعاد الأعلى. لقد أرادوا العمل مع ثلاثة فوتونات ، حيث يكون لكل فوتون أبعاد ثلاثية ، مما يعني أنه يمكن أن يكون في تراكب من ثلاث حالات: 0 ، 1 و 2. هذه الحالة الكمية تسمى كيوتريت . كان التشابك الذي كان الفريق يسعى إليه هو حالة ثلاثية الأبعاد GHZ كانت عبارة عن تراكب للحالات 000 و 111 و 222. مثل هذه الحالات هي مكونات مهمة للاتصالات الكمومية الآمنة والحوسبة الكمومية الأسرع. في أواخر عام 2013 ، أمضى الباحثون أسابيع في تصميم التجارب على السبورات وإجراء الحسابات لمعرفة ما إذا كانت إعداداتهم يمكن أن تولد الحالات الكمية المطلوبة. لكن في كل مرة فشلوا. يقول Krenn: “فكرت ،” هذا جنون تمامًا. لماذا لا يمكننا التوصل إلى إعداد؟ “

لتسريع العملية ، كتب Krenn أولاً برنامج كمبيوتر أخذ إعدادًا تجريبيًا وحساب المخرجات. ثم قام بترقية البرنامج للسماح له بأن يُدرج في حساباته نفس اللبنات الأساسية التي يستخدمها المجربون لإنشاء الفوتونات ومعالجتها على طاولة بصرية: الليزر ، والبلورات غير الخطية ، ومقسمات الحزمة ، ومبدلات الطور ، والصور المجسمة ، وما شابه ذلك. بحث البرنامج في مساحة كبيرة من التكوينات عن طريق المزج العشوائي ومطابقة الكتل الأساسية ، وأجرى الحسابات وبصق النتيجة. ولد ملفين. يقول كرين: “في غضون ساعات قليلة ، وجد البرنامج حلاً لم نتمكن نحن العلماء – ثلاثة تجريبيين وواحد من العلماء – من التوصل إليه لعدة أشهر”. “كان ذلك يومًا مجنونًا. لم أصدق أنه حدث”.

ثم أعطى MELVIN المزيد من الذكاء. في أي وقت وجد إعدادًا يقوم بشيء مفيد ، أضاف MELVIN هذا الإعداد إلى صندوق الأدوات الخاص به . يقول كرين: “تتذكر الخوارزمية ذلك وتحاول إعادة استخدامه في حلول أكثر تعقيدًا”.

لقد كان MELVIN الأكثر تطورًا هو الذي جعل Krenn يخدش رأسه في مقهى في فيينا. لقد جعله يعمل بصندوق أدوات تجريبي يحتوي على بلورتين ، كل منهما قادر على توليد زوج من الفوتونات المتشابكة في ثلاثة أبعاد. كان توقع Krenn الساذج هو أن MELVIN سيجد تكوينات تجمع بين أزواج الفوتونات هذه لإنشاء حالات متشابكة من تسعة أبعاد على الأكثر. لكن “وجدت في الواقع حلاً واحدًا ، حالة نادرة للغاية ، بها تشابك أعلى بكثير من بقية الحالات” ، كما يقول كرين.

في النهاية ، اكتشف أن MELVIN قد استخدمت تقنية طورتها فرق متعددة منذ ما يقرب من ثلاثة عقود. في عام 1991 ، تم تصميم طريقة واحدة بواسطة Xin Yu Zou و Li Jun Wang و Leonard Mandel ، وكلهم في جامعة روتشستر. وفي عام 1994 ، ابتكر زيلينجر ، ثم في جامعة إنسبروك في النمسا ، وزملاؤه شيئًا آخر. من الناحية المفاهيمية ، حاولت هذه التجارب شيئًا مشابهًا ، لكن التكوين الذي ابتكره زيلينجر وزملاؤه أسهل في الفهم. يبدأ بلورة واحدة تولد زوجًا من الفوتونات (A و B). تمر مسارات هذه الفوتونات مباشرة عبر بلورة أخرى ، والتي يمكن أن تولد أيضًا فوتونين (C و D). تتداخل مسارات الفوتون A من البلورة الأولى والفوتون C من الثانية تمامًا وتؤدي إلى نفس الكاشف. إذا نقر هذا الكاشف ، فمن المستحيل معرفة ما إذا كان الفوتون قد نشأ من البلورة الأولى أو البلورة الثانية. الشيء نفسه ينطبق على الفوتونين B و D.Advertisement

إن ناقل الحركة هو جهاز يزيد بشكل فعال المسار الذي ينتقله الفوتون كجزء من طوله الموجي. إذا كنت ستقوم بإدخال ناقل حركة طور في أحد المسارات بين البلورات واستمرت في تغيير مقدار انزياح الطور ، فقد تتسبب في حدوث تداخل بناء ومدمّر في أجهزة الكشف. على سبيل المثال ، يمكن أن تولد كل بلورة ، على سبيل المثال ، 1000 زوج من الفوتونات في الثانية. مع التداخل البناء ، ستسجل الكواشف 4000 زوج من الفوتونات في الثانية. ومع التداخل المدمر ، لن يكتشفوا أي شيء: لن يقوم النظام ككل بإنشاء أي فوتونات على الرغم من أن البلورات المنفردة ستولد 1000 زوج في الثانية. يقول كرين: “هذا في الواقع جنون تمامًا ، عندما تفكر فيه”.

تضمن حل MELVIN غير التقليدي مثل هذه المسارات المتداخلة. ما أذهل كرين هو أن الخوارزمية تحتوي على بلورتين فقط في صندوق أدواتها. وبدلاً من استخدام تلك البلورات في بداية الإعداد التجريبي ، قامت بتثبيتها داخل مقياس تداخل (جهاز يقسم مسار الفوتون على سبيل المثال إلى قسمين ثم يعيد تجميعهما). بعد بذل الكثير من الجهد ، أدرك أن الإعداد الذي وجده MELVIN كان مكافئًا لواحد يتضمن أكثر من بلورتين ، كل منهما يولد أزواجًا من الفوتونات ، بحيث تتداخل مساراتهم إلى الكواشف. يمكن استخدام التكوين لإنشاء حالات متشابكة عالية الأبعاد.

عالمة الفيزياء الكمومية نورا تيشلر ، الحاصلة على درجة الدكتوراه. طالب يعمل مع Zeilinger في موضوع غير ذي صلة عندما كان MELVIN يمر بخطواته ، كان ينتبه إلى هذه التطورات. وتقول: “كان من الواضح نوعًا ما منذ البداية [أن مثل هذه التجربة] لن تكون موجودة إذا لم يتم اكتشافها بواسطة خوارزمية”.

إلى جانب توليد حالات معقدة متشابكة ، يمكن استخدام الإعداد باستخدام أكثر من بلورتين مع مسارات متداخلة لإجراء شكل معمم من تجارب التداخل الكمي لزيلينجر عام 1994 مع بلورتين. أعجب أيفرايم شتاينبرغ ، الباحث التجريبي في جامعة تورنتو ، وهو زميل لكرين ولكنه لم يعمل في هذه المشاريع ، بما وجده الذكاء الاصطناعي. يقول: “هذا تعميم لم يحلم به أي إنسان (على حد علمي) في العقود الفاصلة وربما لم يفعله أبدًا”. “إنه أول مثال رائع على نوع الاستكشافات الجديدة التي يمكن أن تأخذنا بها آلات التفكير هذه.”

في أحد هذه التكوينات المعممة مع أربع بلورات ، كل منها يولد زوجًا من الفوتونات ، ومسارات متداخلة تؤدي إلى أربعة كاشفات ، يمكن للتداخل الكمي أن يخلق مواقف حيث تنقر جميع الكواشف الأربعة (التداخل البناء) أو لا تفعل ذلك (التداخل المدمر).

لكن حتى وقت قريب ، ظل إجراء مثل هذه التجربة حلما بعيد المنال. بعد ذلك ، في ورقة ما قبل الطباعة في مارس ، أفاد فريق بقيادة Lan-Tian Feng من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين ، بالتعاون مع Krenn ، أنهم صنعوا الإعداد بالكامل على شريحة ضوئية واحدةوأجرى التجربة. جمع الباحثون البيانات لأكثر من 16 ساعة: أصبح إنجازًا ممكنًا بسبب الثبات البصري المذهل للرقاقة الضوئية ، وهو أمر كان من المستحيل تحقيقه في تجربة منضدية واسعة النطاق. بالنسبة للمبتدئين ، سيتطلب الإعداد قيمة متر مربع من العناصر البصرية المحاذاة بدقة على مقعد بصري ، كما يقول شتاينبرغ. إلى جانب ذلك ، “يمكن أن يكون عنصر بصري واحد يتأرجح أو ينجرف بمقدار جزء من الألف من قطر شعرة الإنسان خلال تلك الـ 16 ساعة كافياً لغسل التأثير ،” كما يقول.Advertisement

خلال محاولاتهم المبكرة لتبسيط وتعميم ما وجده MELVIN ، أدرك Krenn وزملاؤه أن الحل يشبه الأشكال الرياضية المجردة المسماة الرسوم البيانية ، والتي تحتوي على الرؤوس والحواف وتستخدم لتصوير العلاقات الزوجية بين الكائنات. بالنسبة لهذه التجارب الكمومية ، يتم تمثيل كل مسار يسلكه الفوتون برأس. والبلورة ، على سبيل المثال ، يتم تمثيلها بحافة تربط رأسين. أنتج MELVIN أولاً مثل هذا الرسم البياني ثم أجرى عملية رياضية عليه. تتضمن العملية ، المسماة “المطابقة الكاملة” ، إنشاء رسم بياني مكافئ يكون فيه كل رأس متصلًا بحافة واحدة فقط. تجعل هذه العملية حساب الحالة الكمومية النهائية أسهل بكثير ، على الرغم من أنه لا يزال من الصعب على البشر فهمها.

تغير ذلك مع خليفة MELVIN THESEUS ، الذي يولد رسومًا بيانية أبسط بكثير من خلال غربلة الرسم البياني المعقد الأول الذي يمثل الحل الذي يجده وصولاً إلى الحد الأدنى لعدد الحواف والرؤوس (بحيث يؤدي أي حذف إضافي إلى تدمير قدرة الإعداد على توليد الحالات الكمية المرغوبة ). هذه الرسوم البيانية هي أبسط من الرسوم البيانية المطابقة المثالية لـ MELVIN ، لذلك من الأسهل فهم أي حل يتم إنشاؤه بواسطة الذكاء الاصطناعي.

أعجب رينر بشكل خاص بمخرجات THESEUS التي يمكن تفسيرها من قبل الإنسان. يقول: “تم تصميم الحل بحيث يتم تقليل عدد الاتصالات في الرسم البياني إلى الحد الأدنى”. “وهذا بطبيعة الحال حل يمكننا فهمه بشكل أفضل مما لو كان لديك رسم بياني معقد للغاية.”

أعجب إريك كافالكانتي من جامعة جريفيث في أستراليا بالعمل وحذر بشأنه. “تمثل تقنيات التعلم الآلي هذه تطورًا مثيرًا للاهتمام. فبالنسبة للعالم البشري الذي يبحث في البيانات ويفسرها ، قد تبدو بعض الحلول بمثابة حلول جديدة” إبداعية “. ولكن في هذه المرحلة ، لا تزال هذه الخوارزميات بعيدة عن المستوى الذي يمكن القول إنهم يمتلكون أفكارًا جديدة حقًا أو يبتكرون مفاهيم جديدة “. “من ناحية أخرى ، أعتقد أنهم سيصلون إلى هناك يومًا ما. لذا فهذه خطوات صغيرة – لكن علينا أن نبدأ من مكان ما.”

يوافق شتاينبرغ. يقول: “في الوقت الحالي ، هي مجرد أدوات رائعة”. “ومثل جميع الأدوات الأفضل ، فهي تمكننا بالفعل من القيام ببعض الأشياء التي ربما لم نكن لنفعلها بدونها.”

المصدر/ livescience.comالمترجم/barabic.com