O físico quântico Mario Krenn se lembra de ter sentado em um café em Viena no início de 2016, analisando documentos e tentando entender o que MELVIN havia encontrado. MELVIN era um algoritmo de aprendizagem de máquina que Krenn tinha criado, uma espécie de inteligência artificial. Seu trabalho era misturar e combinar os blocos de construção de experimentos quânticos padrão e encontrar soluções para novos problemas. E encontrou vários muito interessantes. Mas um deles não fazia sentido.

“A primeira coisa que pensei foi: ‘Meu programa tem um bug, porque não pode existir solução'”, disse Krenn. MELVIN aparentemente resolveu o problema de como criar estados emaranhados altamente complexos envolvendo múltiplos fótons (estados emaranhados sendo aqueles que uma vez fizeram Albert Einstein invocar o espectro de “ação assustadora à distância“). Krenn, Anton Zeilinger da Universidade de Viena e seus colegas não tinham explicitamente fornecido ao MELVIN as regras necessárias para gerar estados tão complexos, mas ele tinha encontrado uma maneira. Finalmente, ele percebeu que o algoritmo havia redescoberto um tipo de arranjo experimental que havia sido concebido no início da década de 1990, mas esses experimentos haviam sido muito mais simples. MELVIN completado um quebra-cabeça muito mais complexo.

“Quando entendemos o que estava acontecendo, fomos imediatamente capazes de generalizar [a solução]”, diz Krenn, que agora está na Universidade de Toronto. Desde então, outras equipes começaram a realizar os experimentos identificados por MELVIN, permitindo-lhes testar os fundamentos conceituais da mecânica quântica de novas maneiras. Enquanto isso, Krenn, trabalhando com colegas em Toronto, refinou seus algoritmos de aprendizagem de máquina. Seu último esforço, uma IA chamada THESEUS, foi ainda mais longe: é ordens de magnitude mais rápido que MELVIN, e os humanos podem facilmente analisar seus resultados. Embora Krenn e seus colegas levem dias ou até semanas para entender os resultados de MELVIN, eles podem quase imediatamente entendem o que THESEUS está dizendo.

“É um trabalho incrível”, diz o físico quântico teórico Renato Renner, do Instituto de Física Teórica do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique, que revisou um estudo de 2020 sobre a THESEUS, mas não estava diretamente envolvido nesses esforços.

Krenn descobriu este programa de pesquisa por acidente quando ele e seus colegas estavam tentando entender como criar experimentalmente estados quânticos de fótons emaranhados de uma maneira muito específica: Quando dois fótons interagem, eles se emaranham, e ambos só podem ser matematicamente descritos usando um único estado quântico compartilhado. Se você medir o estado de um fóton, a medida fixa instantaneamente o estado do outro, mesmo que os dois estejam a quilômetros de distância (daí os comentários de Einstein sobre o emaranhado ser “assustador”).

Em 1989, três físicos — Daniel Greenberger, o falecido Michael Horne e Zeilinger — descreveram um estado emaranhado que ficou conhecido como “GHZ” (suas iniciais). Envolveu quatro fótons, cada um dos quais poderia estar em uma superposição quântica de, digamos, dois estados, 0 e 1 (um estado quântico chamado qubit). Em seu artigo, o estado GHZ envolveu enredar quatro qubits de tal forma que todo o sistema estava em uma superposição quântica bidimensional dos estados 0000 e 1111. Se você medisse um dos fótons e o encontrasse no estado 0, a superposição entraria em colapso, e os outros fótons também estariam no estado 0. O mesmo vale para o estado 1. No final da década de 1990, Zeilinger e seus colegas observaram experimentalmente os estados GHZ usando três qubits pela primeira vez.

Krenn e seus colegas estavam voltados para os estados GHZ de dimensões mais altas. Eles queriam trabalhar com três fótons, onde cada fóton tinha uma dimensionalidade de três, o que significa que poderia estar em uma superposição de três estados: 0, 1 e 2. Este estado quântico é chamado de qutrit. O emaranhado que a equipe estava atrás foi um estado GHZ tridimensional que era uma superposição dos estados 000, 111 e 222. Tais estados são ingredientes importantes para comunicações quânticas seguras e computação quântica mais rápida. No final de 2013, os pesquisadores passaram semanas projetando experimentos em quadros-negros e fazendo os cálculos para ver se suas configurações poderiam gerar os estados quânticos necessários. Mas eles falharam repetidamente. “Eu pensei: ‘Isso é absolutamente insano. Por que não conseguimos chegar a uma configuração?'”, diz Krenn.

Para acelerar o processo, Krenn escreveu pela primeira vez um programa de computador que pegou uma configuração experimental e calculou a saída. Em seguida, ele atualizou o programa para permitir que ele incorporasse em seus cálculos os mesmos blocos de construção que os experimentadores usam para criar e manipular fótons em um banco óptico: lasers, cristais não lineares, divisores de feixe, metamorfos de fase, hologramas e afins. O programa pesquisou através de uma vasta possibilidade de configurações misturando e combinando aleatoriamente os blocos de construção, realizou os cálculos e emitiu o resultado. MELVIN nasceu. “Em poucas horas, o programa encontrou uma solução que nós, cientistas — três experimentalistas e um teórico — não poderíamos descobrir por meses”, diz Krenn. “Foi um dia louco. Eu não podia acreditar que isso aconteceu.

Então ele tornou MELVIN mais inteligente. Sempre que encontrou uma configuração que foi útil, MELVIN adicionou essa configuração a seu cinto de utilidades. “O algoritmo lembra e tenta reutilizá-lo para soluções mais complexas”, diz Krenn.

Foi esse MELVIN mais evoluído que deixou Krenn coçando a cabeça em um café de Viena. Ele tinha funcionado com uma ferramentas experimentais que continham dois cristais, cada um capaz de gerar um par de fótons emaranhados em três dimensões. A expectativa ingênua de Krenn era que o MELVIN encontraria configurações que combinassem esses pares de fótons para criar estados emaranhados de no máximo nove dimensões. Mas “ele realmente encontrou uma solução, um caso extremamente raro, que tem um emaranhado muito maior do que o resto dos estados”, diz Krenn.

Finalmente, ele descobriu que MELVIN tinha usado uma técnica que várias equipes haviam desenvolvido há quase três décadas. Em 1991, um método foi projetado por Xin Yu Zou, Li Jun Wang e Leonard Mandel, todos na Universidade de Rochester. E em 1994 Zeilinger, então na Universidade de Innsbruck, na Áustria, e seus colegas inventaram outro. Conceitualmente, esses experimentos tentaram algo semelhante, mas a configuração que Zeilinger e seus colegas criaram é mais simples de entender. Começa com um cristal que gera um par de fótons (A e B). Os caminhos desses fótons passam por outro cristal, que também pode gerar dois fótons (C e D). Os caminhos do fóton A do primeiro cristal e do fóton C da segunda se sobrepõem exatamente e vão ao mesmo detector. Se esse detector clicar, é impossível dizer se o fóton se originou do primeiro ou do segundo cristal. O mesmo vale para os fótons B e D.

Um metamorfo de fase é um dispositivo que efetivamente aumenta o caminho que um fóton viaja em uma fração de seu comprimento de onda. Se você introduzisse um metamorfo em um dos caminhos entre os cristais e continuasse alterando a quantidade de mudança de fase, você poderia causar interferência construtiva e destrutiva nos detectores. Por exemplo, cada um dos cristais poderia estar gerando, digamos, mil pares de fótons por segundo. Com interferência construtiva, os detectores registrariam 4 mil pares de fótons por segundo. E com interferência destrutiva, eles não detectariam nenhum: o sistema como um todo não criaria fótons, mesmo que cristais individuais gerassem mil pares por segundo. “Isso é realmente muito louco, quando você pensa”, diz Krenn.