Kvantové systémy nejsou nic jednoduchého. Kredit: CC0 Public Domain.

Umělé inteligence přicházejí. Trénují autonomní vozidla, hrají šachy, poker, videohry a jak jsme na OSLU před časem psali, výborně analyzují gravitační čočky z hlubokého vesmíru. Ale ani to jim už nestačí. Stáváme se svědky invaze umělých inteligencí do kvantového světa.

Fyzici se umělých inteligencí nijak zvlášť nebojí. Jsou rádi, že jim s výzkumem kvantových podivností někdo pomůže. Nedávno si vycvičili umělou inteligenci, která dovede rekonstruovat kvantové systémy na základě relativně nízkého počtu experimentálních měření. S tímto postupem mohou vědci testovat kvantové vlastnosti systémů částic mnohem rychleji, než to dělají teď, kdy prostě používají techniky „hrubé síly“. Systémy, které by dnes bylo možné analyzovat tak asi za tisíce let intenzivních měření, vycvičené umělé inteligence zvládnou za pár hodin.

Giuseppe Carleo.

Kredit: ETH Zürich.

Giuseppe Carleo z centra Center for Computational Quantum Physics na Flatiron Institute v New Yorku zjistili, že vhodná umělá inteligence může elegantně vytěžit esenci zkoumaného kvantového systému. S tímto přístupem teď bude možné podstatně rozšířit záběr kvantových experimentů a jejich vyhodnocování. Rovněž jej využijí ve vývoji kvantových počítačů a dalších zařízení, která mají co dělat s kvantovou mechanikou. Výzkum nedávno uveřejnil časopis Nature Physics.

Carleo nezastírá, že jejich výzkum inspirovala celosvětově populární inteligence AlphaGo. Jednoznačně tím potvrzuje, že podobné mediální akce mají ohromný význam, a to nejen pro veřejnost a sponzory, ale i pro samotné vědce. Inteligence AlphaGo, která porazila světového šampiona ve hře go, byla podle badatelů fenomenální. A tak je napadlo, jestli by nemohli využít podobné algoritmy ve výzkumu kvantových systémů.

Zapojení umělé inteligence do výzkumu kvantových systémů. Kredit: Giuseppe Carleo/Flatiron Institute.

Kvantové systémy jsou plné Schrödingerových koček. Částice v nich existují a zároveň neexistují v mnoha různých uspořádáních zároveň. Až po změření kvantový systém zkolabuje do jedné z možných konfigurací. To ale zároveň znamená, že není možné pozorovat celou komplexní strukturu kvantového systému v jediném experimentu. Proto fyzici obvykle používají hrubou sílu a provádějí stejná experimentální měření stále dokola, stále a stále, dokud nejsou schopni popsat celý kvantový systém.

Hrubá síla samozřejmě funguje. Pro systémy s pár částicemi. Pokud budeme uvažovat jenom elektrony a jejich spin, tak systém s jedním elektronem má jen 2 možné konfigurace. Když je elektronů pět, tak takový systém má 32 možných konfigurací. Když bychom ale chtěli zkoumat kvantový systém se stovkou elektronů, tak tam už je více než 1 milion bilionů bilionů možných konfigurací. Tedy šíleně mnoho možných konfigurací. Situaci pak ještě dále komplikuje kvantové provázání částic ve kvantových systémech.

Strojové inteligence si s tím ale dovedou poradit. Carleo s kolegy nakrmili umělou inteligenci experimentálními daty z měření kvantových systémů. Umělá inteligence se učila a zkoušela napodobovat chování kvantového systému. A v jednu chvíli to zvládla natolik dobře, že už přesně rekonstruovala kompletní kvantový systém. A je v tom neuvěřitelná.
Tahle inteligence obstojně určí strukturu kvantového systému s osmi elektrony a jejich spinem na základě zhruba stovky měření. Aby fyzici dosáhli stejné přesnosti stávajícím přístupem s hrubou silou, tak by tenhle systém museli měřit téměř milionkrát. To je přímo brutální zjednodušení a zrychlení analýz kvantových systémů. Jak se zdá, ve kvantové mechanice můžeme brzy očekávat veliké věci.

Video:   Giuseppe CARLEO - Neural-network quantum states


Literatura
Flatiron Institute 26. 2. 2018, Nature Physics online 26. 2. 2018.