Fysici maken doorbraak met nieuw quantumapparaat

Een team van fysici aan de Universiteit van Wenen heeft een nieuw quantumapparaat gemaakt, genaamd een quantum memristor, dat de werelden van kunstmatige intelligentie (AI) en quantumtechnologie kan combineren. Het experiment, dat werd uitgevoerd in samenwerking met de Nationale Onderzoeksraad (CNR) en de Politecnico di Milano in Italië, werd gerealiseerd op een geïntegreerde quantumprocessor die werkt met enkele fotonen.

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics.

De ontdekking van de memristor

Toepassingen van kunstmatige intelligentie zijn afhankelijk van neurale netwerken die zijn geïnspireerd op de biologische structuur van de menselijke hersenen, en ze worden wiskundig getraind totdat ze menselijke taken kunnen uitvoeren, zoals gezichtsherkenning, rijden of beeldinterpretatie. Een van de belangrijkste onderzoeksgebieden in deze gebieden, zowel in de academische wereld als in de industrie, is de integratie van apparaten die snel en efficiënt berekeningen kunnen uitvoeren.

In 2008 was er een grote stap vooruit in het veld met de ontdekking van de memristor, die een apparaat is dat zijn weerstand verandert afhankelijk van een geheugen van de voorbije stroom. Na de ontdekking van de memristor, leerden wetenschappers dat het gedrag van memristors vergelijkbaar was met neurale synapsen. Dit heeft ertoe geleid dat de memristor een belangrijk onderdeel is geworden van neuromorfe architectuur.

De quantum memristor engineeren

De groep van experimentele fysici werd geleid door Prof. Phillip Walther en Dr. Roberto Osellame, en zij demonstreerden hoe een apparaat met hetzelfde gedrag als een memristor kon worden geëngineerd. Dit apparaat werkt ook op quantumtoestanden en kan quantuminformatie coderen en verzenden, waardoor het een “quantum memristor” wordt genoemd. Het is extreem moeilijk om een dergelijk apparaat te maken vanwege de dynamica van een memristor, die vaak in strijd zijn met typisch quantumgedrag.

Het team vertrouwde op enkele fotonen en hun vermogen om gelijktijdig te propageren in een superpositie van twee of meer paden. Dit is wat het team hielp om een dergelijk apparaat te realiseren.

Zij voerden een experiment uit waarbij enkele fotonen werden gepropageerd langs waveguides die met een laser waren geschreven op een glas-substraat. Deze enkele fotonen werden geleid in een superpositie van meerdere paden, en een van deze paden werd gebruikt om de flux van fotonen die door het apparaat bewogen te meten. De hoeveelheid van deze fotonen moduleert de transmissie op de andere uitgang, wat het gewenste gedrag vergelijkbaar met een memristor bereikt.

De onderzoekers waren ook in staat om simulaties uit te voeren die aantoonden dat optische netwerken met quantum memristors kunnen worden gebruikt om klassieke en quantumtaken te leren. Dit is wat het team ertoe bracht om te geloven dat de quantum memristor nodig is om de gebieden van AI en quantum computing te combineren.

Michele Spagnolo is de eerste auteur van het onderzoek.

“Het ontsluiten van het volledige potentieel van quantumbronnen binnen kunstmatige intelligentie is een van de grootste uitdagingen van het huidige onderzoek in quantumfysica en informatica,” zei Spagnolo.