esQueranto: Differentiable Structured Quantum Light for Automated Scientific Discovery
本文介绍了 \textsc{esQueranto}，这是一个基于 JAX 的可微模拟器，它统一了光子数量子光学与结构光传播，以实现由人工智能驱动的新型量子光学实验的自动化发现。
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几个世纪以来，物理学领域最深刻的发现都源于人类的智慧。研究人员构思一个装置，用反射镜和激光器将其搭建出来，然后观察宇宙揭示了什么。这个过程依赖于科学家的直觉，去提出正确的问题。然而，宇宙是广袤无垠的，光与物质排列组合的可能性如此之大，以至于人类的思想无法穷尽所有可能。在可能的黑暗角落里，或许隐藏着精妙绝伦的实验设计——这些装置运行得近乎完美，却因为过于反直觉，以至于任何人都从未想过要建造它们。为了寻找这些隐藏的瑰宝，科学家们正转向人工智能，教计算机为他们设计实验。但对于计算机而言，要发明一种新的实验，它需要一个模拟器，即一个足够强大的虚拟实验室，能够理解自然的复杂规则。
挑战在于，光根据观察方式的不同，表现出两种截然不同的行为。一方面，光可以被视为由被称为“光子”的单个粒子组成的流，此时适用量子力学的规则，会出现诸如纠缠之类的奇特现象。另一方面，光作为一种波进行传播，它会扩散、绕过角落，并在空间移动时改变形状。长期以来，计算机程序可以很好地模拟其中一种行为，但无法同时模拟两者。如果程序试图追踪光的量子特性，它往往会忽略光束在传播过程中形状的变化；如果它追踪光束的形状和运动，它往往会丢失精细的量子细节。这种分裂意味着，计算机无法充分探索那些光束形状直接影响其内部粒子量子行为的实验。
一组研究人员现在推出了一种名为 esQueranto 的新软件工具，填补了这一空白。该程序允许科学家在单一的统一模型中，同时描述光的粒子化量子特性及其在空间中的波动运动。该软件被设计为是“可微的”（differentiable），这是一个技术术语，简单来说，意味着计算机可以自动计算实验的微小变化如何影响最终结果。这种能力至关重要，因为它使软件不仅能模拟实验，还能从实验中学习。计算机可以微调镜片、透镜和光源的设置，瞬间观察这些变化如何改变结果，并利用这些信息来寻找实现特定目标的最佳配置。
研究人员通过运行各种复杂的场景，展示了这一工具的力量。在一次测试中，他们模拟了一个由四个不同光源相互作用产生四光子态的装置。他们发现，当光强度很高时，通常预测粒子相互抵消的简单规则不再适用。软件正确地识别出，高阶效应（在更简单的模型中常被忽略）会改变干涉发生的点。在另一个例子中，团队使用该软件设计了一种创建特定类型纠缠光（称为 NOON 态）的方法，这种状态对于超精密测量非常有用。计算机发现了一种新的分束器排列方式，其产生该状态的成功率比以往任何已知的人类设计的方案都要高出五倍。
该工具在处理物理世界的混乱现实方面也证明了其价值，在现实中，光从来都不是完美的。研究人员模拟了一个实验，其中单个光子通过两条垂直距离为两米的纤维光缆传输。其中一根光缆比另一根高，这意味着路径中的光子会感受到略微不同的引力作用，从而改变其相位。软件成功计算了这种微小的引力效应如何与光子的损耗以及它们在传输过程中量子属性的模糊化相竞争。它确定了该实验的一个最佳距离——约 44 公里——在此距离下，来自引力的信号足够强，可以在环境噪声破坏信息之前被检测到。
或许最令人震撼的演示涉及光本身的形状。研究人员展示了软件如何模拟具有复杂空间模式（例如螺旋形或环形）的光子如何相互干涉。他们发现，这些光束在传播过程中扩散和改变形状的方式，可以被用来将它们分类到不同的路径中。通过精心布置透镜和反射镜，计算机展示了如何根据光子的内部结构来引导它们，即使在环境引入噪声试图扰乱信号的情况下也是如此。这具有重要意义，因为它证明了实验的空间几何结构不仅仅是量子行为的背景，它是一个可以用来控制结果的主动成分。
该论文并未声称已经解决了物理学中的所有问题，或构建了一台可以独立完成这一切的物理机器。相反，它提出了迈向通用模拟器的基础性一步。作者认为，通过将这些不同的物理描述整合进同一种语言，他们开启了一个新的设计空间。这个空间允许进行结合了量子效应、光传播和噪声的实验，而这些实验在以前是难以建模的。该软件已经被用于发现新的实验方案，例如产生高概率纠缠态的方法以及测量引力效应的新途径。研究人员设想，在未来，这种方法将扩展到光之外，涵盖原子、机械振动和其他形式的物质，创建一个单一的平台，让人工智能能够从头开始设计完整的实验，揭示人类仅凭直觉可能永远无法想象的新现象。
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