AI Mendesain Eksperimen Fisika Kuantum di Luar Apa yang Telah Dibayangkan Manusia

0



Qfisikawan uantum Mario Krenn ingat duduk di sebuah kafe di Wina pada awal 2016, meneliti cetakan komputer, mencoba memahami apa yang telah ditemukan MELVIN. MELVIN adalah algoritma pembelajaran mesin yang dibangun Krenn, semacam kecerdasan buatan. Tugasnya adalah mencampur dan mencocokkan blok bangunan eksperimen kuantum standar dan menemukan solusi untuk masalah baru. Dan itu memang menemukan banyak yang menarik. Tapi ada satu yang tidak masuk akal. “Hal pertama yang saya pikirkan adalah, ‘Program saya memiliki bug karena solusinya tidak ada,’” kata Krenn.

MELVIN tampaknya telah memecahkan masalah menciptakan keadaan terjerat yang sangat kompleks yang melibatkan banyak foton (keadaan terjerat adalah keadaan yang pernah membuat Albert Einstein memanggil momok “aksi seram di kejauhan”). Krenn, Anton Zeilinger dari Universitas Wina dan rekan-rekan mereka tidak secara eksplisit memberikan MELVIN aturan yang diperlukan untuk menghasilkan keadaan kompleks seperti itu, namun telah menemukan cara. Akhirnya Krenn menyadari bahwa algoritma telah menemukan kembali jenis pengaturan eksperimental yang telah dirancang pada awal 1990-an. Tetapi eksperimen-eksperimen itu jauh lebih sederhana. MELVIN telah memecahkan teka-teki yang jauh lebih kompleks. “Ketika kami memahami apa yang sedang terjadi, kami segera dapat menggeneralisasi [the solution],” kata Krenn, yang sekarang berada di University of Toronto.

Sejak itu, tim lain mulai melakukan eksperimen yang diidentifikasi oleh MELVIN, memungkinkan mereka untuk menguji dasar-dasar konseptual mekanika kuantum dengan cara baru. Sementara itu Krenn, bekerja dengan rekan-rekannya di Toronto, telah menyempurnakan algoritme pembelajaran mesin mereka. Upaya terbaru mereka, AI yang disebut THESEUS, telah meningkatkan taruhannya: ini jauh lebih cepat daripada MELVIN, dan manusia dapat dengan mudah menguraikan hasilnya. Meskipun Krenn dan rekan-rekannya membutuhkan waktu berhari-hari atau bahkan berminggu-minggu untuk memahami liku-liku MELVIN, mereka hampir dapat segera memahami apa yang THESEUS katakan. “Ini adalah pekerjaan yang luar biasa,” kata fisikawan kuantum teoretis Renato Renner dari Institut Fisika Teoritis di Institut Teknologi Federal Swiss Zurich, yang meninjau studi tahun 2020 tentang THESEUS tetapi tidak terlibat langsung dalam upaya ini.

Krenn tersandung pada seluruh program penelitian ini secara tidak sengaja ketika dia dan rekan-rekannya mencoba mencari cara untuk secara eksperimental menciptakan keadaan kuantum foton yang terjerat dengan cara yang sangat khusus. Ketika dua foton berinteraksi, mereka menjadi terjerat, dan keduanya dapat dijelaskan secara matematis hanya menggunakan satu keadaan kuantum bersama. Jika Anda mengukur keadaan satu foton, pengukuran langsung memperbaiki keadaan yang lain bahkan jika keduanya terpisah beberapa kilometer (karenanya komentar ejekan Einstein tentang keterjeratan menjadi “menyeramkan”).

Pada tahun 1989 tiga fisikawan—Daniel Greenberger, mendiang Michael Horne dan Zeilinger—menggambarkan terjerat negara yang kemudian dikenal sebagai GHZ (setelah inisial mereka). Ini melibatkan empat foton, yang masing-masing dapat berada dalam superposisi kuantum, katakanlah, dua keadaan, 0 dan 1 (keadaan kuantum yang disebut qubit). Dalam makalah mereka, keadaan GHZ melibatkan keterjeratan empat qubit sehingga seluruh sistem berada dalam superposisi kuantum dua dimensi dari keadaan 0000 dan 1111. Jika Anda mengukur salah satu foton dan menemukannya dalam keadaan 0, superposisi akan runtuh, dan foton lainnya juga akan berada dalam keadaan 0. Hal yang sama berlaku untuk keadaan 1. Pada akhir 1990-an Zeilinger dan rekan-rekannya secara eksperimental mengamati status GHZ menggunakan tiga qubit untuk pertama kalinya.

Krenn dan rekan-rekannya mengincar keadaan GHZ dengan dimensi yang lebih tinggi. Mereka ingin bekerja dengan tiga foton, di mana setiap foton memiliki dimensi tiga, yang berarti dapat berada dalam superposisi tiga keadaan: 0, 1 dan 2. Keadaan kuantum ini disebut qutrit. Keterikatan yang tim cari adalah keadaan GHZ tiga dimensi yang merupakan superposisi dari keadaan 000, 111 dan 222. Keadaan tersebut merupakan bahan penting untuk komunikasi kuantum yang aman dan komputasi kuantum yang lebih cepat. Pada akhir tahun 2013, para peneliti menghabiskan waktu berminggu-minggu untuk merancang eksperimen di papan tulis dan melakukan perhitungan untuk melihat apakah pengaturan mereka dapat menghasilkan keadaan kuantum yang diperlukan. Tapi setiap kali mereka gagal. “Saya pikir, ‘Ini benar-benar gila. Mengapa kita tidak bisa membuat setup?’” kata Krenn.

Untuk mempercepat prosesnya, Krenn pertama-tama menulis program komputer yang mengambil pengaturan eksperimental dan menghitung hasilnya. Kemudian dia meningkatkan program untuk memungkinkannya memasukkan dalam perhitungannya blok bangunan yang sama yang digunakan peneliti untuk membuat dan memanipulasi foton di bangku optik: laser, kristal nonlinier, pemecah sinar, pemindah fase, hologram, dan sejenisnya. Program mencari melalui ruang konfigurasi yang besar dengan mencampur dan mencocokkan blok bangunan secara acak, melakukan perhitungan dan mengeluarkan hasilnya. MELVIN lahir. “Dalam beberapa jam, program ini menemukan solusi yang kami para ilmuwan—tiga ahli eksperimen dan satu ahli teori—tidak dapat menemukan solusi selama berbulan-bulan,” kata Krenn. “Itu adalah hari yang gila. Saya tidak percaya itu terjadi.” Kemudian dia memberi MELVIN lebih banyak kecerdasan. Setiap kali menemukan pengaturan yang melakukan sesuatu yang berguna, MELVIN menambahkan pengaturan itu ke kotak peralatannya. “Algoritme mengingat itu dan mencoba menggunakannya kembali untuk solusi yang lebih kompleks,” kata Krenn.

MELVIN yang lebih berkembang inilah yang membuat Krenn menggaruk-garuk kepalanya di kafe Wina. Dia telah menjalankannya dengan kotak peralatan eksperimental yang berisi dua kristal, masing-masing mampu menghasilkan sepasang foton yang terjerat dalam tiga dimensi. Harapan naif Krenn adalah bahwa MELVIN akan menemukan konfigurasi yang menggabungkan pasangan foton ini untuk menciptakan keadaan terjerat paling banyak sembilan dimensi. Tapi “itu benar-benar menemukan satu solusi, kasus yang sangat langka, yang memiliki keterjeratan yang jauh lebih tinggi daripada negara bagian lainnya,” kata Krenn.

Akhirnya dia mengetahui bahwa MELVIN telah menggunakan teknik yang telah dikembangkan banyak tim hampir tiga dekade lalu. Pada tahun 1991 Xin Yu Zou, Li Jun Wang dan Leonard Mandel, semuanya saat itu di Universitas Rochester, merancang satu metode. Dan pada tahun 1994 Zeilinger, kemudian di Universitas Innsbruck di Austria, dan rekan-rekannya muncul dengan yang lain. Secara konseptual eksperimen ini mencoba sesuatu yang serupa, tetapi konfigurasi yang dirancang Zeilinger dan rekan-rekannya lebih sederhana untuk dipahami. Ini dimulai dengan satu kristal yang menghasilkan sepasang foton (A dan B). Jalur foton ini menembus kristal lain, yang juga dapat menghasilkan dua foton (C dan D). Lintasan foton A dari kristal pertama dan foton C dari kristal kedua saling tumpang tindih dan menuju ke detektor yang sama. Jika detektor itu berbunyi klik, mustahil untuk mengetahui apakah foton itu berasal dari kristal pertama atau kedua. Hal yang sama berlaku untuk foton B dan D.

Penggeser fase adalah perangkat yang secara efektif meningkatkan jalur perjalanan foton sebagai sebagian kecil dari panjang gelombangnya. Jika Anda memperkenalkan pemindah fase di salah satu jalur antara kristal dan terus mengubah jumlah pergeseran fase, Anda dapat menyebabkan interferensi konstruktif dan destruktif pada detektor. Misalnya, masing-masing kristal dapat menghasilkan, katakanlah, 1.000 pasang foton per detik. Dengan interferensi konstruktif, detektor akan mencatat 4.000 pasang foton per detik. Dan dengan interferensi destruktif, mereka tidak akan mendeteksi apa pun: sistem secara keseluruhan tidak akan membuat foton apa pun meskipun kristal individu akan menghasilkan 1.000 pasang per detik. “Itu sebenarnya cukup gila, ketika Anda memikirkannya,” kata Krenn.

Solusi funky MELVIN melibatkan jalur yang tumpang tindih seperti itu. Apa yang membuat Krenn bingung adalah bahwa algoritme hanya memiliki dua kristal di kotak peralatannya. Dan alih-alih menggunakan kristal-kristal itu pada awal pengaturan eksperimental, kristal itu telah menjepitnya di dalam interferometer (perangkat yang membagi jalur, katakanlah, sebuah foton menjadi dua dan kemudian menggabungkannya kembali). Setelah banyak usaha, dia menyadari bahwa pengaturan yang ditemukan MELVIN setara dengan yang melibatkan lebih dari dua kristal, masing-masing menghasilkan pasangan foton, sehingga jalur mereka ke detektor tumpang tindih. Konfigurasi dapat digunakan untuk menghasilkan status terjerat dimensi tinggi.

Fisikawan kuantum Nora Tischler, yang merupakan Ph.D. siswa yang bekerja dengan Zeilinger pada topik yang tidak terkait ketika MELVIN sedang dilakukan, memperhatikan perkembangan ini. “Itu agak jelas dari awal [that such an] eksperimen tidak akan ada jika tidak ditemukan oleh algoritma,” katanya.

Selain menghasilkan keadaan terjerat yang kompleks, pengaturan menggunakan lebih dari dua kristal dengan jalur yang tumpang tindih dapat digunakan untuk melakukan bentuk umum eksperimen interferensi kuantum Zeilinger 1994 dengan dua kristal. Aephraim Steinberg, seorang eksperimentalis yang merupakan rekan Krenn di Toronto tetapi belum mengerjakan proyek ini, terkesan dengan apa yang ditemukan AI. “Ini adalah generalisasi yang (sepengetahuan saya) tidak ada manusia yang bermimpi dalam beberapa dekade dan mungkin tidak akan pernah melakukannya,” katanya. “Ini adalah contoh pertama yang bagus dari jenis eksplorasi baru yang dapat dilakukan oleh mesin berpikir ini kepada kita.”

Dalam satu konfigurasi umum seperti itu dengan empat kristal, masing-masing menghasilkan sepasang foton, dan jalur tumpang tindih yang mengarah ke empat detektor, interferensi kuantum dapat menciptakan situasi di mana keempat detektor berbunyi klik (interferensi konstruktif) atau tidak ada satupun yang melakukannya (interferensi destruktif). Sampai saat ini, melakukan eksperimen seperti itu masih menjadi mimpi yang jauh. Kemudian, dalam makalah pracetak bulan Maret, sebuah tim yang dipimpin oleh Lan-Tian Feng dari Universitas Sains dan Teknologi China, bekerja sama dengan Krenn, melaporkan bahwa mereka telah membuat seluruh pengaturan pada satu chip fotonik dan melakukan percobaan. Para peneliti mengumpulkan data selama lebih dari 16 jam: suatu prestasi yang dimungkinkan karena stabilitas optik chip fotonik yang luar biasa, sesuatu yang tidak mungkin dicapai dalam eksperimen meja skala besar. Sebagai permulaan, pengaturan akan membutuhkan elemen optik senilai satu meter persegi yang disejajarkan dengan tepat di bangku optik, kata Steinberg. Selain itu, “satu elemen optik yang bergetar atau melayang dengan seperseribu diameter rambut manusia selama 16 jam itu bisa cukup untuk menghilangkan efeknya,” katanya.

Selama upaya awal mereka untuk menyederhanakan dan menggeneralisasi apa yang telah ditemukan MELVIN, Krenn dan rekan-rekannya menyadari bahwa solusinya menyerupai bentuk matematika abstrak yang disebut grafik, yang berisi simpul dan tepi dan digunakan untuk menggambarkan hubungan berpasangan antara objek. Untuk eksperimen kuantum ini, setiap jalur yang diambil foton diwakili oleh sebuah titik. Dan kristal, misalnya, diwakili oleh tepi yang menghubungkan dua simpul. MELVIN pertama kali menghasilkan grafik seperti itu dan kemudian melakukan operasi matematika di atasnya. Operasi, yang disebut pencocokan sempurna, melibatkan pembuatan graf ekuivalen di mana setiap simpul terhubung hanya ke satu sisi. Proses ini membuat penghitungan keadaan kuantum akhir menjadi lebih mudah, meskipun masih sulit dipahami oleh manusia.

Itu berubah dengan penerus MELVIN THESEUS, yang menghasilkan grafik yang jauh lebih sederhana dengan menampi grafik kompleks pertama yang mewakili solusi yang ditemukan hingga jumlah minimum tepi dan simpul (sehingga penghapusan lebih lanjut menghancurkan kemampuan pengaturan untuk menghasilkan keadaan kuantum yang diinginkan ). Grafik seperti itu lebih sederhana daripada grafik pencocokan sempurna MELVIN, sehingga lebih mudah untuk memahami solusi apa pun yang dihasilkan AI. Renner sangat terkesan dengan keluaran THESEUS yang dapat diinterpretasikan oleh manusia. “Solusinya dirancang sedemikian rupa sehingga jumlah koneksi dalam grafik diminimalkan,” katanya. “Dan itu tentu saja merupakan solusi yang dapat kami pahami lebih baik daripada jika Anda memiliki grafik yang sangat kompleks.”

Eric Cavalcanti dari Griffith University di Australia terkesan dengan pekerjaan dan berhati-hati tentang hal itu. “Teknik pembelajaran mesin ini mewakili perkembangan yang menarik. Untuk ilmuwan manusia yang melihat data dan menafsirkannya, beberapa solusi mungkin terlihat seperti solusi baru yang ‘kreatif’. Namun pada tahap ini, algoritme ini masih jauh dari tingkat di mana dapat dikatakan bahwa mereka memiliki ide yang benar-benar baru atau menghasilkan konsep baru,” katanya. “Di sisi lain, saya pikir suatu hari mereka akan sampai di sana. Jadi ini adalah langkah kecil—tetapi kita harus mulai dari suatu tempat.” Steinberg setuju. “Untuk saat ini mereka hanyalah alat yang luar biasa,” katanya. “Dan seperti semua alat terbaik, mereka sudah memungkinkan kami melakukan beberapa hal yang mungkin tidak akan kami lakukan tanpa mereka.”

Leave A Reply

Your email address will not be published.