Quanten-Computing
Physiker schaffen Durchbruch mit neuem Quantengerät

Ein Team von Physikern der Universität Wien hat ein neues Quantengerät namens Quantenmemristor entwickelt, das die Welten der künstlichen Intelligenz (KI) und der Quantentechnologie vereinen könnte. Das Experiment, das gemeinsam mit dem Nationalen Forschungsrat (CNR) und dem Politecnico di Milano in Italien durchgeführt wurde, wurde auf einem integrierten Quantenprozessor realisiert, der mit einzelnen Photonen arbeitet.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Photonics.
Entdeckung des Memristors
Anwendungen der künstlichen Intelligenz basieren auf neuronalen Netzen, die von der biologischen Struktur des menschlichen Gehirns inspiriert sind, und werden mathematisch trainiert, bis sie menschliche Aufgaben wie Gesichtserkennung, Autofahren oder Bildinterpretation ausführen können. Einer der wichtigsten Forschungsschwerpunkte in diesen Bereichen, sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie, ist die Integration von Geräten, die Berechnungen schnell und effizient durchführen können.
Im Jahr 2008 gab es mit der Entdeckung des Memristors einen großen Fortschritt auf diesem Gebiet. Dabei handelt es sich um ein Gerät, das seinen Widerstand abhängig von einer Erinnerung an den vergangenen Strom ändert. Nach der Entdeckung des Memristors erfuhren Wissenschaftler, dass das Verhalten von Memristoren dem von neuronalen Synapsen ähnelt. Dies hat dazu geführt, dass der Memristor zu einem wichtigen Bestandteil neuromorpher Architekturen geworden ist.
Entwicklung des Quantenmemristors
Die Gruppe der Experimentalphysiker wurde von Prof. Phillip Walther und Dr. Roberto Osellame geleitet und zeigte, wie ein Gerät mit dem gleichen Verhalten wie ein Memristor konstruiert werden kann. Dieses Gerät wirkt auch auf Quantenzustände und kann Quanteninformationen kodieren und übertragen, weshalb es als „Quantenmemristor“ bezeichnet wird. Angesichts der Dynamik eines Memristors, die oft im Widerspruch zum typischen Quantenverhalten steht, ist es äußerst schwierig, ein solches Gerät zu entwickeln.
Das Team verließ sich auf einzelne Photonen und deren Fähigkeit, sich gleichzeitig in einer Überlagerung von zwei oder mehr Pfaden auszubreiten. Dies hat dem Team bei der Realisierung eines solchen Geräts entscheidend geholfen.
Sie führten ein Experiment durch, bei dem sich einzelne Photonen entlang von Wellenleitern ausbreiteten, die mit einem Laser auf ein Glassubstrat geschrieben waren. Diese einzelnen Photonen wurden auf einer Überlagerung mehrerer Pfade geführt, und einer dieser Pfade wurde verwendet, um den Fluss der Photonen zu messen, die sich durch das Gerät bewegen. Die Menge dieser Photonen moduliert die Übertragung am anderen Ausgang, wodurch das gewünschte Verhalten ähnlich einem Memristor erreicht wird.
Die Forscher konnten außerdem Simulationen durchführen, die zeigten, dass optische Netzwerke mit Quantenmemristoren zum Erlernen klassischer und Quantenaufgaben verwendet werden können. Dies brachte das Team zu der Überzeugung, dass der Quantenmemristor das ist, was nötig ist, um die Bereiche KI und Quantencomputing zu verschmelzen.
Michele Spagnolo ist Erstautor der Studie.
„Die Erschließung des vollen Potenzials der Quantenressourcen innerhalb der künstlichen Intelligenz ist eine der größten Herausforderungen der aktuellen Forschung in der Quantenphysik und Informatik“, sagte Spagnolo.