量子物理學(xué)家馬里奧?克萊恩至今還記得自己2016年初在維也納的一家咖啡館里翻閱MELVIN的計(jì)算結(jié)果時(shí)的情景。MELVIN是克雷恩創(chuàng)建的一套機(jī)器學(xué)習(xí)算法，屬于一種人工智能。它的任務(wù)是將各種標(biāo)準(zhǔn)量子實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)模塊進(jìn)行混合和比對(duì)，借此尋找新問題的解決方法?？死锥靼l(fā)現(xiàn)，MELVIN的確做出了許多有趣的發(fā)現(xiàn)，但其中有一條卻令他摸不著頭腦。

“當(dāng)時(shí)我的第一反應(yīng)是，‘我的程序一定出BUG了’，因?yàn)檫@個(gè)解法根本不可能存在。”MELVIN似乎是想通過創(chuàng)造多光子的復(fù)雜糾纏態(tài)來解決問題。問題在于，克雷恩、安東?塞林格和同事們并未給MELVIN提供創(chuàng)造這類復(fù)雜量子態(tài)所需的規(guī)則，但MELVIN卻自己找到了解決之道。最終克雷恩意識(shí)到，這套算法發(fā)現(xiàn)的其實(shí)是上世紀(jì)90年代初設(shè)計(jì)的一套實(shí)驗(yàn)安排，不過當(dāng)初那套實(shí)驗(yàn)要簡(jiǎn)單得多，MELVIN解決的問題則遠(yuǎn)比它復(fù)雜。

“我們明白了這是怎么一回事之后，便立即對(duì)這個(gè)解法進(jìn)行了歸納和泛化?！笨死锥鞅硎?。自此之后，其他團(tuán)隊(duì)也開展了一些MELVIN設(shè)計(jì)的新實(shí)驗(yàn)，以全新的方法測(cè)試量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)。與此同時(shí)，克雷恩從維也納大學(xué)跳槽到了多倫多大學(xué)，和新同事一起改進(jìn)了他們的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。他們最近研發(fā)了一套名叫THESEUS的人工智能系統(tǒng)，不僅計(jì)算速度比MELVIN快好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而且計(jì)算結(jié)果對(duì)人類一目了然。MELVIN的計(jì)算結(jié)果需要克雷恩和同事們花費(fèi)數(shù)天、甚至數(shù)天時(shí)間去理解，但THESEUS的計(jì)算結(jié)果則幾乎一眼自明。

克雷恩接觸到這個(gè)研究項(xiàng)目其實(shí)純屬偶然。當(dāng)時(shí)他和同事們想弄清，如何通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造光子的量子糾纏態(tài)：當(dāng)兩個(gè)光子發(fā)生相互作用時(shí)，便會(huì)形成“糾纏”關(guān)系，牽涉其中的兩個(gè)光子都只能通過同一種量子狀態(tài)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。如果你對(duì)其中一個(gè)光子的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，即使兩個(gè)光子遠(yuǎn)隔千里，測(cè)量結(jié)果也能與另一個(gè)光子相吻合（因此愛因斯坦稱之為“幽靈般的糾纏關(guān)系”）。

1989年，丹尼爾?格林伯格、邁克爾?霍恩和塞林格三名物理學(xué)家對(duì)一種名叫GHZ（三人姓氏首字母的結(jié)合）的量子態(tài)進(jìn)行了描述。GHZ量子態(tài)涉及到四個(gè)光子，每個(gè)光子都處于0或1兩種狀態(tài)的疊加態(tài)上（這種量子態(tài)名叫量子比特）。在三人發(fā)表的論文中，GHZ狀態(tài)包含四個(gè)相互糾纏的量子比特，整個(gè)系統(tǒng)處于一種二維的量子疊加態(tài)中，要么為0000，要么為1111。如果對(duì)其中一個(gè)光子進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其處于狀態(tài)0上，整個(gè)疊加態(tài)便會(huì)坍縮，其它光子的狀態(tài)也是0；測(cè)出的結(jié)果為1也是同理。上世紀(jì)90年代末，塞林格和同事們首次在實(shí)驗(yàn)中觀察到了三個(gè)量子比特的GHZ態(tài)。

克雷恩和同事們還想觀察到更高維度的GHZ態(tài)。他們想使用三個(gè)光子，每個(gè)都有三個(gè)維度，即可以處于0、1、2三種狀態(tài)的疊加態(tài)上。這種量子態(tài)名叫“三維量子比特?？死锥鲌F(tuán)隊(duì)想尋找的便是一種三維GHZ態(tài)，處于000、111和222三種狀態(tài)的疊加態(tài)上。這種量子態(tài)可以大大增強(qiáng)量子通信的安全性、以及量子計(jì)算的速度。2013年末，研究人員花了數(shù)周時(shí)間設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和開展計(jì)算，試圖通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造出所需的量子態(tài)，但每次都以失敗告終?？死锥鞅硎荆骸拔耶?dāng)時(shí)簡(jiǎn)直要抓狂了，為什么我們就是找不到正確的實(shí)驗(yàn)設(shè)置呢？”

為加速研究進(jìn)程，克雷恩先是編寫了一套計(jì)算機(jī)程序，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置計(jì)算出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后對(duì)程序進(jìn)行了升級(jí)，將光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上用來生成和操控光子的基礎(chǔ)模塊整合了進(jìn)去，包括激光、非線性光學(xué)晶體、分光器、移項(xiàng)器、全息圖等等。這套程序?qū)⑦@些模塊進(jìn)行隨機(jī)混合和匹配，組合出了海量配置，并依次開展計(jì)算、輸出結(jié)果。MELVIN就這么誕生了?！岸潭處仔r(shí)內(nèi)，這套程序就找出了我們這幾位科學(xué)家耗費(fèi)數(shù)月都沒能找到的解決方案。”克雷恩指出，“那真是瘋狂的一天，我至今都不敢相信這真的發(fā)生了?！?/p>

接下來，他又賦予了MELVIN更多的智慧。每次找到一種有用的配置，MELVIN都會(huì)將其加入自己的“工具箱”。“這套算法會(huì)記住這些，并試著用它們來尋找更復(fù)雜的解決方法。”

但令克雷恩在維也納那間咖啡館里百思不得其解的，也正是“進(jìn)化后”的MELVIN。在MELVIN的實(shí)驗(yàn)“工具箱”中，克雷恩加入了兩個(gè)晶體，每個(gè)都可以產(chǎn)生一對(duì)處于三維糾纏態(tài)的光子?？死锥髟疽詾椋琈ELVIN會(huì)找到一種實(shí)驗(yàn)配置，能夠?qū)⑦@兩組光子組合在一起，最多達(dá)到9個(gè)維度。但“它其實(shí)找到了一種非常罕見的解法，糾纏程度遠(yuǎn)比其它量子態(tài)都要高得多”。

克雷恩最終發(fā)現(xiàn)，MELVIN其實(shí)使用了一種近三十年前由數(shù)支研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的技術(shù)。1991年，羅切斯特大學(xué)的三名研究人員設(shè)計(jì)出了其中一種實(shí)驗(yàn)方法。隨后在1994年，塞林格和奧地利因斯布魯克大學(xué)的同事們又設(shè)計(jì)出了另一種。從概念上來看，這些實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果都是相似的，不過塞林格設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)配置更簡(jiǎn)單、更容易理解一些。在該實(shí)驗(yàn)中，先由一枚晶體生成一組光子（A和B），這兩個(gè)光子的行進(jìn)路線會(huì)穿過另一枚晶體，產(chǎn)生光子C和D。從第一枚晶體射出的光子A和第二枚晶體射出的光子C的行進(jìn)路線會(huì)完全重合，都會(huì)到達(dá)同一個(gè)探測(cè)器，因此該探測(cè)器無法判斷某個(gè)光子究竟是來自第一枚、還是第二枚晶體。光子B和光子D也是同理。

移相器可以改變光子的相位。如果在兩枚晶體之間放置一臺(tái)移相器，并不斷改變移相程度，就會(huì)在探測(cè)器處造成建設(shè)性干涉或破壞性干涉。假設(shè)每枚晶體每秒可以產(chǎn)生1000對(duì)光子；在產(chǎn)生建設(shè)性干涉時(shí)，探測(cè)器每秒可接收4000對(duì)光子；而在產(chǎn)生破壞性干涉時(shí)，接收到的光子數(shù)則為零，因?yàn)楸M管單個(gè)晶體每秒產(chǎn)生的光子對(duì)數(shù)為1000，但整個(gè)系統(tǒng)卻并未產(chǎn)生一個(gè)光子。

MELVIN的解法中也包含這樣的重疊路線。令克雷恩感到困惑的是，他的算法中只有兩枚晶體。MELVIN并未在實(shí)驗(yàn)一開始就使用這兩枚晶體，而是將它們放進(jìn)了一臺(tái)干涉儀中（干涉儀可以將一個(gè)光子的行進(jìn)路線一分為二、再合二為一）?；艘环Ψ蜻M(jìn)行研究后，他意識(shí)到，MELVIN使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)置相當(dāng)于用到了不止兩枚晶體，這樣一來便可產(chǎn)生更高維度的糾纏態(tài)了。

除了生成復(fù)雜的糾纏態(tài)之外，使用兩枚以上晶體的實(shí)驗(yàn)配置還可以實(shí)現(xiàn)塞林格在1994年用兩枚晶體開展的實(shí)驗(yàn)的“泛化”版本?？死锥髟诙鄠惗啻髮W(xué)的同事埃弗瑞姆?斯坦伯格對(duì)人工智能的研究結(jié)果深感震驚。“就我所知，這種泛化是人類僅憑自己之力永遠(yuǎn)也想象不出、也實(shí)現(xiàn)不了的?！?/p>

在其中一種泛化的實(shí)驗(yàn)配置中，晶體數(shù)量為四，每枚晶體都會(huì)產(chǎn)生一對(duì)光子，有四條通往四個(gè)探測(cè)器的重疊路徑。量子干涉可以形成建設(shè)性干涉，即四臺(tái)探測(cè)器都能探測(cè)到光子；或是破壞性干涉，即沒有一臺(tái)探測(cè)器能探測(cè)到光子。

但直至不久之前，真正開展這樣的實(shí)驗(yàn)都一直是一個(gè)遙遠(yuǎn)的夢(mèng)想。不過今年三月，中國(guó)科技大學(xué)研究人員與克雷恩在聯(lián)合發(fā)表的一篇預(yù)印論文上報(bào)告稱，自己在一枚光子芯片上搭建了完整的實(shí)驗(yàn)配置，并成功開展了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。由于光子芯片的光學(xué)穩(wěn)定性極強(qiáng)，研究人員在實(shí)驗(yàn)中連續(xù)收集了超過16個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)，而這在大規(guī)模實(shí)驗(yàn)中是不可能實(shí)現(xiàn)的。

在剛開始嘗試將MELVIN的研究成果簡(jiǎn)化和泛化時(shí)，克雷恩和同事們意識(shí)到，這種解法其實(shí)和數(shù)學(xué)中一種名叫“圖”的抽象表達(dá)形式很相似。圖由“頂點(diǎn)”和“邊”構(gòu)成，可以用于描述物體之間的配對(duì)關(guān)系。在量子實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)光子的行進(jìn)路線可以用“頂點(diǎn)”來表示，而每枚晶體則可以用連接兩個(gè)頂點(diǎn)的“邊”來表示。MELVIN先是創(chuàng)建了這樣一個(gè)圖，然后開展了一系列名叫“完美匹配”的數(shù)學(xué)運(yùn)算，即讓每個(gè)頂點(diǎn)僅與一條邊相連。這一過程可以使最終量子態(tài)的計(jì)算大大簡(jiǎn)化，不過對(duì)人類來說仍然難以理解。

不過，MELVIN繼任者THESEUS的出現(xiàn)改變了這一點(diǎn)。它可以對(duì)第一步生成的復(fù)雜圖進(jìn)行篩選，逐漸將邊和頂點(diǎn)的數(shù)量減少到不能再少（如果進(jìn)一步減少，該實(shí)驗(yàn)設(shè)置便無法產(chǎn)生想要的量子態(tài)）。這樣的圖比MELVIN的完美匹配圖簡(jiǎn)單得多，因此更容易被人類解讀。

澳大利亞格里菲斯大學(xué)的埃里克?加瓦爾坎迪對(duì)這些研究工作深感震撼。“這些機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)真的很有意思。對(duì)人類科學(xué)家而言，有些解法看上去十分‘新穎’。不過就現(xiàn)階段來說，這些算法離真正具備提出新想法、創(chuàng)造新概念還差得很遠(yuǎn)。不過，我相信這一天遲早會(huì)到來。盡管我們?nèi)缃袢栽趮雰簩W(xué)步，但千里之行，終歸要始于足下?！?/p>

斯坦伯格也贊同這一觀點(diǎn)。“就目前來說，這些已經(jīng)是絕妙的工具了。就像所有優(yōu)秀的工具一樣，它們已經(jīng)幫助我們實(shí)現(xiàn)了一些原本不可能實(shí)現(xiàn)之事?！?/p>