AI diseña experimentos de física cuántica más allá de lo que cualquier ser humano haya concebido

qEl físico cuántico Mario Krenn recuerda estar sentado en un café en Viena a principios de 2016, estudiando detenidamente las impresiones de la computadora, tratando de dar sentido a lo que MELVIN había encontrado. MELVIN era un algoritmo de aprendizaje automático que había construido Krenn, una especie de inteligencia artificial. Su trabajo consistía en mezclar y combinar los componentes básicos de los experimentos cuánticos estándar y encontrar soluciones a nuevos problemas. Y encontró muchos interesantes. Pero había uno que no tenía sentido. “Lo primero que pensé fue: ‘Mi programa tiene un error porque la solución no puede existir’”, dice Krenn.

Aparentemente, MELVIN había resuelto el problema de crear estados entrelazados altamente complejos que involucran múltiples fotones (los estados entrelazados son los que una vez hicieron que Albert Einstein invocara el espectro de la «acción espeluznante a distancia»). Krenn, Anton Zeilinger de la Universidad de Viena y sus colegas no le proporcionaron explícitamente a MELVIN las reglas necesarias para generar estados tan complejos, pero encontró la manera. Finalmente, Krenn se dio cuenta de que el algoritmo había redescubierto un tipo de disposición experimental que se había ideado a principios de la década de 1990. Pero esos experimentos habían sido mucho más simples. MELVIN había descifrado un rompecabezas mucho más complejo. “Cuando entendimos lo que estaba pasando, inmediatamente pudimos generalizar [the solution]”, dice Krenn, quien ahora está en la Universidad de Toronto.

Desde entonces, otros equipos han comenzado a realizar los experimentos identificados por MELVIN, lo que les permite probar los fundamentos conceptuales de la mecánica cuántica de nuevas formas. Mientras tanto, Krenn, trabajando con colegas en Toronto, ha refinado sus algoritmos de aprendizaje automático. Su último esfuerzo, una IA llamada THESEUS, ha subido la apuesta: es mucho más rápido que MELVIN, y los humanos pueden analizar fácilmente su resultado. Si bien Krenn y sus colegas tardarían días o incluso semanas en comprender los meandros de MELVIN, casi de inmediato pueden darse cuenta de lo que dice THESEUS. «Es un trabajo increíble», dice el físico cuántico teórico Renato Renner del Instituto de Física Teórica del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich, quien revisó un estudio de 2023 sobre THESEUS pero no participó directamente en estos esfuerzos.

Krenn tropezó con todo este programa de investigación por casualidad cuando él y sus colegas estaban tratando de descubrir cómo crear experimentalmente estados cuánticos de fotones entrelazados de una manera muy particular. Cuando dos fotones interactúan, se enredan y ambos pueden describirse matemáticamente utilizando un solo estado cuántico compartido. Si mide el estado de un fotón, la medida fija instantáneamente el estado del otro incluso si los dos están a kilómetros de distancia (de ahí que los comentarios burlones de Einstein sobre el entrelazamiento sean «espeluznantes»).

En 1989, tres físicos, Daniel Greenberger, el difunto Michael Horne y Zeilinger, describieron un estado entrelazado que llegó a conocerse como GHZ (por sus iniciales). Involucró cuatro fotones, cada uno de los cuales podría estar en una superposición cuántica de, digamos, dos estados, 0 y 1 (un estado cuántico llamado qubit). En su artículo, el estado de GHZ implicó entrelazar cuatro qubits de modo que todo el sistema estuviera en una superposición cuántica bidimensional de los estados 0000 y 1111. Si midiera uno de los fotones y lo encontrara en el estado 0, la superposición colapsaría y los otros fotones también estarían en el estado 0. Lo mismo ocurrió con el estado 1. A fines de la década de 1990, Zeilinger y sus colegas observaron experimentalmente los estados GHZ usando tres qubits por primera vez.

Krenn y sus colegas apuntaban a estados GHZ de dimensiones más altas. Querían trabajar con tres fotones, donde cada fotón tenía una dimensionalidad de tres, lo que significa que podría estar en una superposición de tres estados: 0, 1 y 2. Este estado cuántico se llama qutrit. El entrelazamiento que buscaba el equipo era un estado GHZ tridimensional que era una superposición de los estados 000, 111 y 222. Tales estados son ingredientes importantes para comunicaciones cuánticas seguras y una computación cuántica más rápida. A fines de 2013, los investigadores pasaron semanas diseñando experimentos en pizarras y haciendo los cálculos para ver si sus configuraciones podían generar los estados cuánticos requeridos. Pero cada vez que fallaron. “Pensé, ‘Esto es absolutamente una locura. ¿Por qué no podemos idear una configuración?’”, dice Krenn.

Para acelerar el proceso, Krenn primero escribió un programa de computadora que tomó una configuración experimental y calculó la salida. Luego actualizó el programa para permitirle incorporar en sus cálculos los mismos bloques de construcción que los experimentadores usan para crear y manipular fotones en un banco óptico: láseres, cristales no lineales, divisores de haz, cambiadores de fase, hologramas y similares. El programa buscó a través de un gran espacio de configuraciones mezclando y emparejando aleatoriamente los bloques de construcción, realizó los cálculos y escupió el resultado. MELVIN nació. “En unas pocas horas, el programa encontró una solución que nosotros, los científicos, tres experimentadores y un teórico, no pudimos encontrar durante meses”, dice Krenn. “Ese fue un día loco. No podía creer que sucediera”. Luego le dio a MELVIN más inteligencia. Cada vez que encontraba una configuración que hacía algo útil, MELVIN agregaba esa configuración a su caja de herramientas. “El algoritmo recuerda eso y trata de reutilizarlo para soluciones más complejas”, dice Krenn.

Fue este MELVIN más evolucionado el que dejó a Krenn rascándose la cabeza en un café vienés. Lo había puesto en marcha con una caja de herramientas experimental que contenía dos cristales, cada uno capaz de generar un par de fotones entrelazados en tres dimensiones. La expectativa ingenua de Krenn era que MELVIN encontraría configuraciones que combinaran estos pares de fotones para crear estados entrelazados de nueve dimensiones como máximo. Pero «en realidad encontró una solución, un caso extremadamente raro, que tiene un enredo mucho mayor que el resto de los estados», dice Krenn.

Eventualmente descubrió que MELVIN había usado una técnica que varios equipos habían desarrollado hace casi tres décadas. En 1991, Xin Yu Zou, Li Jun Wang y Leonard Mandel, todos entonces en la Universidad de Rochester, diseñaron un método. Y en 1994, Zeilinger, entonces en la Universidad de Innsbruck en Austria, y sus colegas idearon otro. Conceptualmente, estos experimentos intentaron algo similar, pero la configuración que idearon Zeilinger y sus colegas es más simple de entender. Comienza con un cristal que genera un par de fotones (A y B). Los caminos de estos fotones atraviesan otro cristal, que también puede generar dos fotones (C y D). Las trayectorias del fotón A del primer cristal y del fotón C del segundo se superponen exactamente y conducen al mismo detector. Si ese detector hace clic, es imposible saber si el fotón se originó en el primer o segundo cristal. Lo mismo ocurre con los fotones B y D.

Un cambiador de fase es un dispositivo que aumenta efectivamente el camino que recorre un fotón como una fracción de su longitud de onda. Si introdujera un desfasador en uno de los caminos entre los cristales y siguiera cambiando la cantidad de desfase, podría causar interferencias constructivas y destructivas en los detectores. Por ejemplo, cada uno de los cristales podría estar generando, digamos, 1000 pares de fotones por segundo. Con interferencia constructiva, los detectores registrarían 4.000 pares de fotones por segundo. Y con la interferencia destructiva, no detectarían ninguno: el sistema en su conjunto no crearía fotones aunque los cristales individuales generaran 1.000 pares por segundo. “Eso es bastante loco, cuando lo piensas”, dice Krenn.

La original solución de MELVIN involucró esos caminos superpuestos. Lo que desconcertó a Krenn fue que el algoritmo solo tenía dos cristales en su caja de herramientas. Y en lugar de usar esos cristales al comienzo de la configuración experimental, los colocó dentro de un interferómetro (un dispositivo que divide el camino de, digamos, un fotón en dos y luego los recombina). Después de mucho esfuerzo, se dio cuenta de que la configuración que MELVIN había encontrado era equivalente a una que involucraba más de dos cristales, cada uno generando pares de fotones, de modo que sus caminos hacia los detectores se superponían. La configuración podría usarse para generar estados entrelazados de alta dimensión.

La física cuántica Nora Tischler, quien obtuvo un Ph.D. estudiante que trabajaba con Zeilinger en un tema no relacionado cuando MELVIN estaba siendo puesto a prueba, estaba prestando atención a estos desarrollos. “Estaba algo claro desde el principio [that such an] experimento no existiría si no hubiera sido descubierto por un algoritmo”, dice ella.

Además de generar estados entrelazados complejos, la configuración que usa más de dos cristales con caminos superpuestos se puede emplear para realizar una forma generalizada de los experimentos de interferencia cuántica de Zeilinger de 1994 con dos cristales. Aephraim Steinberg, un experimentador que es colega de Toronto de Krenn pero que no ha trabajado en estos proyectos, está impresionado por lo que encontró la IA. «Esta es una generalización que (que yo sepa) ningún ser humano soñó en las décadas intermedias y podría nunca haberlo hecho», dice. “Es un magnífico primer ejemplo del tipo de nuevas exploraciones a las que pueden llevarnos estas máquinas pensantes”.

En una de esas configuraciones generalizadas con cuatro cristales, cada uno generando un par de fotones y rutas superpuestas que conducen a cuatro detectores, la interferencia cuántica puede crear situaciones en las que los cuatro detectores hacen clic (interferencia constructiva) o ninguno lo hace (interferencia destructiva). Hasta hace poco, llevar a cabo un experimento de este tipo había sido un sueño lejano. Luego, en un artículo preliminar de marzo, un equipo dirigido por Lan-Tian Feng de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, en colaboración con Krenn, informó que habían fabricado toda la configuración en un solo chip fotónico y realizaron el experimento. Los investigadores recopilaron datos durante más de 16 horas: una hazaña que fue posible gracias a la increíble estabilidad óptica del chip fotónico, algo que habría sido imposible de lograr en un experimento de mesa a mayor escala. Para empezar, la configuración requeriría un metro cuadrado de elementos ópticos alineados con precisión en un banco óptico, dice Steinberg. Además, “un solo elemento óptico que tiemble o se desplace una milésima parte del diámetro de un cabello humano durante esas 16 horas podría ser suficiente para eliminar el efecto”, dice.

Durante sus primeros intentos de simplificar y generalizar lo que MELVIN había encontrado, Krenn y sus colegas se dieron cuenta de que la solución se asemejaba a formas matemáticas abstractas llamadas gráficos, que contienen vértices y aristas y se utilizan para representar relaciones de pares entre objetos. Para estos experimentos cuánticos, cada camino que toma un fotón está representado por un vértice. Y un cristal, por ejemplo, está representado por una arista que conecta dos vértices. MELVIN primero produjo un gráfico de este tipo y luego realizó una operación matemática en él. La operación, llamada coincidencia perfecta, consiste en generar un gráfico equivalente en el que cada vértice está conectado a una sola arista. Este proceso hace que calcular el estado cuántico final sea mucho más fácil, aunque todavía es difícil de entender para los humanos.

Eso cambió con el sucesor de MELVIN, THESEUS, que genera gráficos mucho más simples al seleccionar el primer gráfico complejo que representa una solución que encuentra hasta el número mínimo de aristas y vértices (de modo que cualquier eliminación adicional destruye la capacidad de la configuración para generar los estados cuánticos deseados). ). Dichos gráficos son más simples que los gráficos de coincidencia perfecta de MELVIN, por lo que es aún más fácil dar sentido a cualquier solución generada por IA. Renner está particularmente impresionado por los resultados interpretables por humanos de THESEUS. “La solución está diseñada de tal manera que se minimiza la cantidad de conexiones en el gráfico”, dice. «Y esa es, naturalmente, una solución que podemos entender mejor que si tuviera un gráfico muy complejo».

Eric Cavalcanti de la Universidad Griffith en Australia está impresionado por el trabajo y circunspecto al respecto. “Estas técnicas de aprendizaje automático representan un desarrollo interesante. Para un científico humano que observa los datos e los interpreta, algunas de las soluciones pueden parecer nuevas soluciones ‘creativas’. Pero en esta etapa, estos algoritmos aún están lejos de un nivel en el que se podría decir que están teniendo ideas realmente nuevas o presentando nuevos conceptos”, dice. “Por otro lado, sí creo que algún día llegarán allí. Así que estos son pequeños pasos, pero tenemos que empezar en alguna parte”. Steinberg está de acuerdo. “Por ahora son simplemente herramientas increíbles”, dice. “Y como todas las mejores herramientas, ya nos permiten hacer algunas cosas que probablemente no habríamos hecho sin ellas”.