esQueranto: Luce quantistica strutturata differenziabile per la scoperta scientifica automatizzata

Abstract degli autori

La scoperta di nuovi fenomeni in natura richiede esperimenti. Per secoli, la loro progettazione è stata esclusivamente opera dell’uomo. Oggi sta emergendo un nuovo paradigma, in cui l’intelligenza artificiale e i metodi computazionali possono progettare esperimenti autonomamente. Per realizzare questa forma di scoperta scientifica automatizzata servono simulatori sufficientemente espressivi da rappresentare i diversi processi fisici e gli accoppiamenti da cui si possono costruire nuovi esperimenti. In questa direzione, presentiamo \textsc{esQueranto}, un software differenziabile che riunisce l’ottica quantistica a numero di fotoni e la propagazione della luce strutturata in una descrizione comune, consentendo all’evoluzione spaziale della luce di influenzare direttamente gli stati quantistici non classici e la loro interferenza. \textsc{esQueranto} è implementato in JAX, che fornisce la differenziazione automatica e una valutazione accelerata dall’hardware per l’ottimizzazione e la ricerca automatizzata. Dimostriamo il framework in un’ampia gamma di applicazioni di ottica quantistica, che mettono alla prova aspetti complementari della sua descrizione fisica. Combinando la fisica quantistica e quella della luce strutturata in un unico simulatore differenziabile, \textsc{esQueranto} compie un passo importante verso il sogno di un simulatore fondamentale in fisica.