Un algoritmo que diseña experimentos cuánticos

Un sistema de aprendizaje automático está realizando avances sorprendentes en la vanguardia de la mecánica cuántica experimental.

Un algoritmo que diseña experimentos de física cuántica. [KOTRYNA ZUKAUSKAITE]

En síntesis

Los físicos han creado algoritmos de aprendizaje automático capaces de diseñar experimentos de mecánica cuántica.

Tales programas mezclan y conectan los dispositivos básicos que suelen emplear los experimentadores para calcular soluciones a problemas nuevos.

Los resultados de esos sistemas de inteligencia artificial son cada vez más fáciles de interpretar, y algunos de los experimentos que han descubierto ya se han llevado a la práctica.

Un día de principios de 2016, el físico cuántico Mario Krenn estaba sentado en un café de Viena, escudriñando unos papeles impresos. Trataba de entender lo que había encontrado MELVIN, un algoritmo de aprendizaje automático que había desarrollado él mismo. La misión de esta inteligencia artificial era mezclar y conectar elementos básicos de experimentos cuánticos estándar para resolver problemas nuevos. Y descubrió muchas soluciones interesantes, pero había una que no tenía sentido. «Lo primero que pensé fue “hay un error en mi programa porque esta solución no puede existir”», relata Krenn.

MELVIN parecía haber logrado crear unos estados entrelazados muy complejos de múltiples fotones. (Los estados entrelazados son los que llevaron a Einstein a invocar el espectro de la «acción fantasmal a distancia».) Krenn, Anton Zeilinger, de la Universidad de Viena, y sus colaboradores no le habían suministrado explícitamente a MELVIN las reglas necesarias para generar estados tan intrincados, y aun así había hallado el modo de hacerlo. Al final, Krenn se percató de que el algoritmo había redescubierto un tipo de montaje experimental diseñado a principios de los años noventa. Pero esos experimentos habían sido mucho más simples que el problema que resolvió MELVIN. Según Krenn, que ahora trabaja en la Universidad de Toronto, «una vez que comprendimos lo que estaba pasando, enseguida pudimos generalizar [la solución]».

Desde entonces, otros equipos han comenzado a realizar los experimentos que identificó MELVIN, y eso les ha permitido verificar de nuevas maneras las bases conceptuales de la mecánica cuántica. Entretanto, Krenn, junto a otros colegas de Toronto, ha refinado sus algoritmos de aprendizaje automático. Su último proyecto, una inteligencia artificial llamada THESEUS, ha subido el listón: es varios órdenes de magnitud más veloz que MELVIN, y además sus resultados son más fáciles de interpretar. A Krenn y sus colaboradores les llevaba días o incluso semanas entender las divagaciones de MELVIN, pero ahora pueden comprender casi de inmediato lo que les dice THESEUS. «Es un trabajo magnífico», afirma Renato Renner, investigador del Instituto de Física Teórica de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich ajeno al proyecto, pero que revisó un estudio de 2020 sobre THESEUS.

Krenn se embarcó en este programa de investigación casi por accidente, cuando él y su equipo estudiaban cómo crear experimentalmente estados cuánticos de fotones entrelazados de una manera muy concreta. Cuando dos fotones interaccionan, se entrelazan y podemos describirlos matemáticamente mediante un solo estado cuántico común. Medir el estado de uno de los fotones fija al instante el estado del otro, aunque ambos se hallen a kilómetros de distancia (de ahí que Einstein se refiriera despectivamente al entrelazamiento como «fantasmal»).

En 1989, Daniel Greenberger, el difunto Michael Horne y Zeilinger describieron un estado entrelazado que ahora se conoce como GHZ, por las iniciales de sus apellidos. En él intervenían fotones, cada uno de los cuales podía estar en una superposición de dos estados 0 y 1 (cada fotón constituía lo que se denomina un qubit). El estado GHZ de su artículo conllevaba el entrelazamiento de cuatro qubits, de modo que el sistema total estaba en una superposición cuántica bidimensional de los estados 0000 y 1111. Así, si midiésemos uno de los fotones y lo hallásemos en el estado 0, la superposición colapsaría y los demás fotones estarían también en el estado 0 (y de manera análoga si el resultado de la medición fuese 1). A finales de los noventa, Zeilinger y su equipo observaron por primera vez estados GHZ con tres qubits en un experimento.

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