O físico quântico Mario Krenn se lembra de estar sentado em um café em Viena no início de 2016, debruçado sobre as impressões do computador, tentando entender o que MELVIN havia encontrado. MELVIN era um algoritmo de Machine Learning 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 muitos outros interessantes. Mas havia um 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, Anton Zeilinger da Universidade de Viena e seus colegas não forneceram explicitamente ao MELVIN as regras necessárias para gerar tais estados complexos, mas ele encontrou uma maneira. 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 foram muito mais simples. MELVIN havia decifrado um quebra-cabeça muito mais complexo.
“Quando entendemos o que estava acontecendo, fomos imediatamente capazes de generalizar [a solução]”, disse Krenn, que agora está na 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, trabalhando com colegas em Toronto, refinou seus algoritmos de Machine Learning. Seu último esforço, um AI chamado THESEUS, aumentou a aposta: é ordens de magnitude mais rápido do que MELVIN, e os humanos podem facilmente analisar sua produção. Embora Krenn e seus colegas levem dias ou até semanas para entender os meandros de MELVIN, eles podem descobrir quase imediatamente o que TESEUS está dizendo.
“É um trabalho incrível”, diz 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 a TESEUS, 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 fixa 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 artigo, 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 de 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 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?'”, Diz Krenn.
Para acelerar o processo, Krenn primeiro escreveu um programa de computador que fez uma configuração experimental e calculou a saída. 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 bancada 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 cuspiu o resultado. MELVIN nasceu. “Em poucas horas, o programa encontrou uma solução que nós cientistas – três experimentalistas e um teórico – não podíamos encontrar por meses”, diz Krenn. “Foi um dia louco. 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 lembra disso e tenta reutilizá-lo para soluções mais complexas”, diz Krenn.
Foi esse MELVIN mais evoluído que deixou Krenn coçando a cabeça em um café vienense. 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 “na verdade ele encontrou uma solução, um caso extremamente raro, que tem um emaranhamento muito maior do que o resto dos estados”, diz 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 então na Universidade de Rochester. 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. Ele começa com um cristal que gera um par de fótons (A e B). Os caminhos desses fótons passam por outro cristal, que também pode gerar dois fótons (C e D). Os caminhos do fóton A do primeiro cristal e do fóton C do segundo se sobrepõem exatamente e levam ao mesmo detector. Se esse detector clicar, é impossível dizer se o fóton se originou do primeiro ou do segundo cristal. O mesmo vale para os fótons B e D.
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 fixa 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 artigo, 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 de 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 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?'”, Diz Krenn.
Para acelerar o processo, Krenn primeiro escreveu um programa de computador que fez uma configuração experimental e calculou a saída. 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 bancada 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 cuspiu o resultado. MELVIN nasceu. “Em poucas horas, o programa encontrou uma solução que nós cientistas – três experimentalistas e um teórico – não podíamos encontrar por meses”, diz Krenn. “Foi um dia louco. 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 lembra disso e tenta reutilizá-lo para soluções mais complexas”, diz Krenn.
Foi esse MELVIN mais evoluído que deixou Krenn coçando a cabeça em um café vienense. 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 “na verdade ele encontrou uma solução, um caso extremamente raro, que tem um emaranhamento muito maior do que o resto dos estados”, diz 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 então na Universidade de Rochester. 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. Ele começa com um cristal que gera um par de fótons (A e B). Os caminhos desses fótons passam por outro cristal, que também pode gerar dois fótons (C e D). Os caminhos do fóton A do primeiro cristal e do fóton C do segundo se sobrepõem exatamente e levam ao mesmo detector. Se esse detector clicar, é impossível dizer se o fóton se originou do primeiro ou do segundo cristal. O mesmo vale para os fótons B e D.
Renner está particularmente impressionado com os resultados interpretáveis por humanos de THESEUS. “A solução foi projetada de forma que o número de conexões no gráfico seja minimizado”, afirma. “E essa é, naturalmente, uma solução que podemos entender melhor do que se você tivesse um gráfico muito complexo.”
Eric Cavalcanti, da Griffith University, na Austrália, está impressionado com o trabalho e circunspecto a respeito. “Essas técnicas de Machine Learning 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 pode-se dizer que estão tendo ideias realmente novas ou surgindo com novos conceitos”, afirma. “Por outro lado, acho que um dia eles chegarão lá. Portanto, esses são passos de bebê – mas temos que começar de algum lugar.”
Steinberg concorda. “Por enquanto, eles são ferramentas incríveis”, diz ele. “E como todas as melhores ferramentas, eles já nos permitem fazer algumas coisas que provavelmente não teríamos feito sem eles.”
Publicado em 17/07/2021 23h38
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