AI|人工智能设计出了人类无法理解的量子实验人工智能设计出了人类无法理

北京时间7月19日消息，量子物理学家马里奥?克莱恩至今还记得自己2016年初在维也纳的一家咖啡馆里翻阅MELVIN的计算结果时的情景。MELVIN是克雷恩创建的一套机器学习算法，属于一种人工智能。它的任务是将各种标准量子实验的基础模块进行混合和比对，借此寻找新问题的解决方法。克雷恩发现， MELVIN的确做出了许多有趣的发现，但其中有一条却令他摸不着头脑。
“当时我的第一反应是， ‘我的程序一定出BUG了’ ，因为这个解法根本不可能存在。”MELVIN似乎是想通过创造多光子的复杂纠缠态来解决问题。问题在于，克雷恩、安东?塞林格和同事们并未给MELVIN提供创造这类复杂量子态所需的规则，但MELVIN却自己找到了解决之道。最终克雷恩意识到，这套算法发现的其实是上世纪90年代初设计的一套实验安排，不过当初那套实验要简单得多， MELVIN解决的问题则远比它复杂。

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“我们明白了这是怎么一回事之后，便立即对这个解法进行了归纳和泛化。”克雷恩表示。自此之后，其他团队也开展了一些MELVIN设计的新实验，以全新的方法测试量子力学的理论基础。与此同时，克雷恩从维也纳大学跳槽到了多伦多大学，和新同事一起改进了他们的机器学习算法。他们最近研发了一套名叫THESEUS的人工智能系统，不仅计算速度比MELVIN快好几个数量级，而且计算结果对人类一目了然。MELVIN的计算结果需要克雷恩和同事们花费数天、甚至数天时间去理解，但THESEUS的计算结果则几乎一眼自明。
克雷恩接触到这个研究项目其实纯属偶然。当时他和同事们想弄清，如何通过实验创造光子的量子纠缠态：当两个光子发生相互作用时，便会形成“纠缠”关系，牵涉其中的两个光子都只能通过同一种量子状态进行数学描述。如果你对其中一个光子的状态进行测量，即使两个光子远隔千里，测量结果也能与另一个光子相吻合（因此爱因斯坦称之为“幽灵般的纠缠关系”）。
1989年，丹尼尔?格林伯格、迈克尔?霍恩和塞林格三名物理学家对一种名叫GHZ（三人姓氏首字母的结合）的量子态进行了描述。GHZ量子态涉及到四个光子，每个光子都处于0或1两种状态的叠加态上（这种量子态名叫量子比特）。在三人发表的论文中， GHZ状态包含四个相互纠缠的量子比特，整个系统处于一种二维的量子叠加态中，要么为0000 ，要么为1111 。如果对其中一个光子进行测量，发现其处于状态0上，整个叠加态便会坍缩，其它光子的状态也是0；测出的结果为1也是同理。上世纪90年代末，塞林格和同事们首次在实验中观察到了三个量子比特的GHZ态。
克雷恩和同事们还想观察到更高维度的GHZ态。他们想使用三个光子，每个都有三个维度，即可以处于0、1、2三种状态的叠加态上。这种量子态名叫“三维量子比特。克雷恩团队想寻找的便是一种三维GHZ态，处于000、111和222三种状态的叠加态上。这种量子态可以大大增强量子通信的安全性、以及量子计算的速度。2013年末，研究人员花了数周时间设计实验和开展计算，试图通过实验创造出所需的量子态，但每次都以失败告终。克雷恩表示：“我当时简直要抓狂了，为什么我们就是找不到正确的实验设置呢？”