Fysikere gør gennembrud med ny kvanteenhed

Et hold fysikere fra Universitetet i Wien har skabt en ny kvanteenhed kaldet en kvantememristor, som kan kombinere verdenerne af kunstig intelligens (AI) og kvanteteknologi. Eksperimentet, der blev udført i samarbejde med National Research (NRC ) Council (CNR) og Politecnico di Milano i Italien, blev realiseret på en integreret kvanteprocessor, der opererer på enkeltfotoner.

Forskningen blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Photonics.

Opdagelsen af Memristoren

Kunstig intelligens-applikationer afhænger af neurale netværk inspireret af den biologiske struktur i det menneskelige hjerte, og de er matematisk trænet, indtil de kan udføre menneskelige opgaver som ansigtsgenkendelse, kørsel eller fortolkning af billeder. Et af de største forskningsfokusområder på disse felter, både i akademiske og industrielle sammenhænge, er integrationen af enheder, der kan udføre beregninger hurtigt og effektivt.

Tilbage i 2008 var der et stort spring fremad i feltet med opdagelsen af memristoren, som er en enhed, der ændrer sin modstand afhængigt af en erindring om den tidligere strøm. Efter opdagelsen af memristoren fandt videnskabsmændene ud af, at memristorens opførsel var lignende neural synapser. Dette har ført til, at memristoren er blevet en stor del af neuromorfe arkitekturer.

Ingennøren af den Kvantememristor

Gruppen af eksperimentelle fysikere blev ledt af Prof. Phillip Walther og Dr. Roberto Osellame, og de demonstrerede, hvordan en enhed med samme opførsel som en memristor kunne konstrueres. Denne enhed handler også på kvantetilstande og kan kodificere og transmittere kvantinformation, hvilket har ført til, at den er blevet kaldt en “kvantememristor”. Det er ekstremt svært at skabe en sådan enhed på grund af memristorens dynamik, der ofte modsiger typisk kvanteforstilling.

Holdet afhængige af enkeltfotoner og deres evne til at propagere samtidigt i en superposition af to eller flere baner. Dette er, hvad der dramatisk hjalp holdet med at realisere en sådan enhed.

De udførte et eksperiment, hvor enkeltfotoner blev propageret langs bølgeledere, der var laser-skrevet på et glas-underlag. Disse enkeltfotoner blev guidet på en superposition af flere baner, og en af disse baner blev brugt til at måle fluxen af fotoner, der bevægede sig gennem enheden. Mængden af disse fotoner modulerer transmissionen på den anden udgang, hvilket opnår den ønskede opførsel lignende en memristor.

Forskerne kunne også udføre simulationer, der demonstrerede, at optiske netværk med kvantememristorer kan bruges til at lære klassiske og kvantebeskrivelser. Dette førte til, at holdet troede, at kvantememristoren er, hvad der er nødvendigt for at kombinere felterne af AI og kvanteberegning.

Michele Spagnolo er første forfatter på forskningen.

“At låse den fulde potentiale for kvanteressourcer inden for kunstig intelligens er en af de største udfordringer i den nuværende forskning i kvantefysik og datalogi,” sagde Spagnolo.