量子物理学可能与人类的直觉相悖——即使是像维也纳大学的马里奥·克伦这样的物理学家也是如此。这种反直觉的特性使得研究人员难以设计实验来探索该领域。现在，为了避免直觉上的陷阱，克伦和他的同事们设计了一个计算机程序，可以自动设计出他们自己想不到的新的量子实验。
所有已知粒子的行为都可以用量子物理学来解释。这个物理学分支的一个主要特点是，在最小的层面上，世界变得模糊而奇异。例如，原子和宇宙的其他基本组成部分可以以称为叠加的状态存在，这意味着它们似乎可以同时位于两个或多个地方，或者同时朝相反的方向旋转；而通过量子纠缠现象，两个或多个物体可以被连接起来，以至于发生在一个物体上的事情会瞬间影响到任何与之连接的物体，无论它们在宇宙中相距多远。
量子物理学的超现实本质即使对于科学家来说也难以接受。最著名的叠加类比是薛定谔的猫，它呈现出一只可能同时处于生与死状态的猫，物理学家埃尔温·薛定谔原本的目的是为了突出叠加概念的荒谬性，而不是为了普及它。此外，爱因斯坦曾公开反对纠缠的概念，称其为“幽灵般的超距作用”。然而，几十年来，无数的实验已经证明了量子物理学更奇怪的现象——例如，克伦的导师安东·塞林格帮助创造了目前144公里的纠缠距离记录，从加那利群岛的拉帕尔马岛到特内里费岛。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻工作 订阅。购买订阅有助于确保未来有关塑造当今世界的发现和想法的重要故事得以延续。
机器人手绘制量子实验设计的插图。
图片来源：Robert Fickler/维也纳大学
克伦和他的同事们在产生一种复杂形式的纠缠方面遇到了麻烦，在这种纠缠中，三个实体共享三个属性。经过数周的猜测，试图产生所谓的格林伯格-霍恩-塞林格（GHZ）态，克伦说他意识到他的直觉不起作用，“所以也许更激进的方法会奏效。”
答案是克伦命名为MELVIN的程序。该软件采用量子实验的常见构建模块，例如反射镜和全息图，并虚拟地排列这些元素，以找到实现研究人员所需的任何目标（例如特定的量子态）的反直觉配置。一旦找到可行的结果，它会自动简化设计并将其报告给科学家。“我晚上启动该程序，到第二天早上，经过几十万次不同的尝试后，它找到了一种正确的解决方案，”克伦在第一次使用MELVIN找到GHZ态时说。“你可以想象那是多么激动人心的一天。”科学家们于3月4日在物理评论快报上在线详细介绍了他们的发现。
在MELVIN的另一项测试中，研究人员发现该程序可以获取一组纠缠粒子，并通过循环方式改变它们，使它们相互交换极化等属性。这种循环操作可能有助于难以破解的量子密码术，这是叠加和纠缠的主要潜在未来应用之一。
科学家们补充说，MELVIN提出了他们自己不太可能想到的意外解决方案。例如，该程序为产生GHZ态开发的51个实验中有50个包括将纠缠光束直接照射到不与其他光束和实验组件相互作用的探测器上。“我仍然觉得很难直观地理解最终的解决方案，即使我能够完美地计算出来，”克伦说。
MELVIN首先随机洗牌组件，但“它具有从经验中学习的能力，”克伦说。“这意味着如果它找到一个好的解决方案，它会存储好的解决方案，并将其用于后续实验。这使得它的速度显著提高，超过一个数量级。”
当被问及MELVIN的结果是否都是反直觉的或有用的时，日内瓦大学的物理学家尼古拉斯·吉辛表示“我没有印象”。他补充说，“这篇论文很可能会引发很多争论。”
相比之下，麻省理工学院的量子物理学家塞思·劳埃德认为MELVIN是个好主意，他也未参与这项研究。“量子力学的怪异本质确实会使人们难以提出实验的想法，”劳埃德说。不过，他也认为MELVIN并不具有开创性，他将这项研究与科学家长期以来使用计算机来模拟药物和其他分子的特性然后再进行制造的方法进行了比较。但他补充说，“该方法有可能帮助产生有用的复杂量子态。”“如果他们能够找到具有完全出乎意料特性的新型状态，那就太棒了。”