PNAS Paperprijs voor quantum machine learning
‘We hopen dat ons artikel de mogelijkheden en voordelen laat zien van het gebruik van kunstmatige intelligentie in de quantumfysica om nieuwe ontdekkingen te doen.’ Vedran Dunjko van het Leiden Institute of Advanced Computer Science droeg bij aan een artikel dat vorig jaar verscheen in PNAS. Het artikel heeft nu een Cozzarelli-prijs voor uitmuntende papers ontvangen.
Het artikel van Dunjko en zijn collega's vormt een unieke brug tussen kunstmatige intelligentie en kwantumfysica. Ze lieten zien dat een versterkend leersysteem kan worden gebruikt om nieuwe quantumexperimenten te ontwerpen.
Zoeken naar nieuwe quantumtoestanden
Bij ‘reinforcement learning’ (leren door feedback) leert een computer door trial and error. Dit gebeurt door acties uit te voeren met als doel een zo groot mogelijke beloning te halen. Wordt de beloning kleiner door een bepaalde actie, voert de computer die actie dus niet meer uit. ‘In dit geval hebben we het systeem de opdracht gegeven om optische quantumexperimenten te ontwerpen die complexe quantumtoestanden zouden kunnen genereren’, vertelt Dunjko. ‘Het ontwerpen van zulke experimenten is erg moeilijk, omdat onze intuïtie over quantumsystemen vaak verkeerd is.’
Daarom hebben hij en zijn collega’s deze taak gedelegeerd aan een geautomatiseerd systeem. ‘We waren met name op zoek naar toestanden met een hoge mate van quantumverstrengeling over meerdere systemen en dimensies’, vertelt hij. Deze verstrengeling treedt op wanneer deeltjes zodanig met elkaar interageren dat ze niet meer onhankelijk van de toestand van de andere deeltjes beschreven kunnen worden. Het is een essentieel kenmerk van de quantummechanica. ‘Het is de kern van quantum computing en quantuminformatieverwerking, waar systemen sterker gekoppeld zijn dan klassiek mogelijk is.’
Quantumtoestanden
De toestand van een quantumsysteem is letterlijk de situatie waarin het zich op een bepaald moment bevindt. Een fysieke beschrijving van deze toestand geeft zo volledig mogelijk informatie over het systeem op dat moment.
Toegepaste verstrengeling
Vestrengeling maakt het mogelijk om systemenen op een veel sterkere manier te koppelen dan klassiek mogelijk was. Dit gebeurt door het creëren van verstrengeling tussen verschillende stations, die steeds verder van elkaar verwijderd worden. Omdat verstrengelde deeltjes onderling zo’n sterke wisselwerking hebben, kun je uiteindelijk de quantuminformatie van het ene uiteinde van de keten naar het andere uiteinde overbrengen, zonder enige verstoring en zonder dat het signaal vervaagt.
Quantumfysica ontrafelen
Toen ze het systeem lieten draaien, gebeurde er iets interessants. ‘We merkten dat het systeem bij voorkeur bepaalde vaste blokken gebruikte van basiselementen voor experimenten. Met andere woorden: het systeem identificeerde eenvoudige “gadgets”, die nuttig zijn in veel verschillende experimenten. Vervolgens analyseerden we deze gadgets en ontdekten dat ze overeenkwamen met verschillende interessante toepassingen van een al bekend quantumapparaat – “de parity sorter” - dat in 2002 door onderzoekers werd ontworpen. Dit apparaat bleek nuttig te zijn om verstrengelde toestanden te genereren. We waren verbaasd dat ons systeem dit apparaat bij wijze van spreke opnieuw had uitgevonden!’
Hoewel hun systeem geen volledig nieuwe gadget heeft uitgevonden, gelooft Vedran dat de resultaten wel de substantiële mogelijkheden en voordelen van kunstmatige intelligentie aantonen. Kunstmatige intelligentie kan ons helpen om nieuwe geheimen van de quantumfysica te ontrafelen.
Brug tussen twee werelden
De Cozzarelli-prijs wordt elk jaar uitgereikt aan de meest opvallende en originele publicaties in PNAS van het jaar ervoor. Dunjko was zeer verheugd toen hij hoorde over de prijs, die hij en zijn collega’s volgens hem te danken hebben aan het multidisciplinaire perspectief van hun paper. ‘We hopen dat dit quantumfysica en kunstmatige intelligentie dichter bij elkaar brengt.’ Hun werk heeft al als inspiratie gediend voor een aantal vervolgacties voor het verbinden van deze onderzoeksgebieden. ‘Ondanks het feit dat we relatief simpele technieken gebruikt hebben, denk ik dat onze paper erg leuk en vernieuwend was. Ik ben in ieder geval erg blij dat de redactie (die ons werk hebben uitgekozen) het met ons eens zijn.