量子物理學可能與人類的直覺相悖——即使是像維也納大學的馬里奧·克倫這樣的物理學家也是如此。這種反直覺的特性使得研究人員難以設計實驗來探索該領域。現在，為了避免直覺上的陷阱，克倫和他的同事們設計了一個計算機程式，可以自動設計出他們自己想不到的新的量子實驗。
所有已知粒子的行為都可以用量子物理學來解釋。這個物理學分支的一個主要特點是，在最小的層面上，世界變得模糊而奇異。例如，原子和宇宙的其他基本組成部分可以以稱為疊加的狀態存在，這意味著它們似乎可以同時位於兩個或多個地方，或者同時朝相反的方向旋轉；而透過量子糾纏現象，兩個或多個物體可以被連線起來，以至於發生在一個物體上的事情會瞬間影響到任何與之連線的物體，無論它們在宇宙中相距多遠。
量子物理學的超現實本質即使對於科學家來說也難以接受。最著名的疊加類比是薛定諤的貓，它呈現出一隻可能同時處於生與死狀態的貓，物理學家埃爾溫·薛定諤原本的目的是為了突出疊加概念的荒謬性，而不是為了普及它。此外，愛因斯坦曾公開反對糾纏的概念，稱其為“幽靈般的超距作用”。然而，幾十年來，無數的實驗已經證明了量子物理學更奇怪的現象——例如，克倫的導師安東·塞林格幫助創造了目前144公里的糾纏距離記錄，從加那利群島的拉帕爾馬島到特內里費島。
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機器人手繪製量子實驗設計的插圖。
圖片來源：Robert Fickler/維也納大學
克倫和他的同事們在產生一種複雜形式的糾纏方面遇到了麻煩，在這種糾纏中，三個實體共享三個屬性。經過數週的猜測，試圖產生所謂的格林伯格-霍恩-塞林格（GHZ）態，克倫說他意識到他的直覺不起作用，“所以也許更激進的方法會奏效。”
答案是克倫命名為MELVIN的程式。該軟體採用量子實驗的常見構建模組，例如反射鏡和全息圖，並虛擬地排列這些元素，以找到實現研究人員所需的任何目標（例如特定的量子態）的反直覺配置。一旦找到可行的結果，它會自動簡化設計並將其報告給科學家。“我晚上啟動該程式，到第二天早上，經過幾十萬次不同的嘗試後，它找到了一種正確的解決方案，”克倫在第一次使用MELVIN找到GHZ態時說。“你可以想象那是多麼激動人心的一天。”科學家們於3月4日在物理評論快報上線上詳細介紹了他們的發現。
在MELVIN的另一項測試中，研究人員發現該程式可以獲取一組糾纏粒子，並透過迴圈方式改變它們，使它們相互交換極化等屬性。這種迴圈操作可能有助於難以破解的量子密碼術，這是疊加和糾纏的主要潛在未來應用之一。
科學家們補充說，MELVIN提出了他們自己不太可能想到的意外解決方案。例如，該程式為產生GHZ態開發的51個實驗中有50個包括將糾纏光束直接照射到不與其他光束和實驗元件相互作用的探測器上。“我仍然覺得很難直觀地理解最終的解決方案，即使我能夠完美地計算出來，”克倫說。
MELVIN首先隨機洗牌元件，但“它具有從經驗中學習的能力，”克倫說。“這意味著如果它找到一個好的解決方案，它會儲存好的解決方案，並將其用於後續實驗。這使得它的速度顯著提高，超過一個數量級。”
當被問及MELVIN的結果是否都是反直覺的或有用的時，日內瓦大學的物理學家尼古拉斯·吉辛表示“我沒有印象”。他補充說，“這篇論文很可能會引發很多爭論。”
相比之下，麻省理工學院的量子物理學家塞思·勞埃德認為MELVIN是個好主意，他也未參與這項研究。“量子力學的怪異本質確實會使人們難以提出實驗的想法，”勞埃德說。不過，他也認為MELVIN並不具有開創性，他將這項研究與科學家長期以來使用計算機來模擬藥物和其他分子的特性然後再進行製造的方法進行了比較。但他補充說，“該方法有可能幫助產生有用的複雜量子態。”“如果他們能夠找到具有完全出乎意料特性的新型狀態，那就太棒了。”