Fysikere gjør gjennombrudd med ny kvanteenhet

Et team av fysikere ved Universitetet i Wien har laget en ny kvanteenhet kalt en kvantemristor, som kan kombinere verdener av kunstig intelligens (AI) og kvanteteknologi. Eksperimentet, som ble utført sammen med det nasjonale forskningsrådet (CNR) og Politecnico di Milano i Italia, ble gjennomført på en integrert kvanteprosessor som opererer på enkeltfotoner. 

Forskningen ble publisert i tidsskriftet Nature Photonics. 

Oppdagelsen av mristoren

Kunstig intelligens-applikasjoner avhenger av neurale nettverk inspirert av den biologiske strukturen i menneskehjernen, og de er matematisk trent til å utføre menneskelige oppgaver som ansiktsgjenkjenning, kjøring eller tolkning av bilder. En av de største forskningsfokusområdene i disse feltene, både i akademia og industri, er integreringen av enheter som kan utføre beregninger raskt og effektivt. 

Tilbake i 2008 var det et stort sprang fremover i feltet med oppdagelsen av mristoren, som er en enhet som endrer sin motstand avhengig av en minne av tidligere strøm. Etter oppdagelsen av mristoren, lærte forskerne at atferden til mristorer var lignende neural synapser. Dette har ført til at mristoren har blitt en stor del av neuromorfe arkitekturer. 

Utforming av kvantemristoren

Gruppen av eksperimentelle fysikere ble ledet av Prof. Phillip Walther og Dr. Roberto Osellame, og de demonstrerte hvordan en enhet med samme atferd som en mristor kunne utformes. Denne enheten handler også på kvantetilstander og kan kode og overføre kvantinformasjon, noe som har ført til at den kalles en “kvantemristor”. Det er ekstremt vanskelig å lage en slik enhet på grunn av dynamikken til en mristor, som ofte motsier typisk kvantatferd. 

Teamet avhengig av enkeltfotoner og deres evne til å propageres samtidig i en superposisjon av to eller flere baner. Dette var det som dramatisk hjalp teamet til å realisere en slik enhet. 

De utførte et eksperiment der enkeltfotoner ble propagert langs bølgeledere laser-skrevet på et glass-substrat. Disse enkeltfotonene ble ledet i en superposisjon av flere baner, og en av disse banene ble brukt til å måle fluksen av fotoner som beveget seg gjennom enheten. Mengden av disse fotonene modulerer overføringen på den andre utgangen, noe som oppnår den ønskede atferden lignende en mristor. 

Forskerne kunne også utføre simulasjoner som viste at optiske nettverk med kvantemristorer kan brukes til å lære klassiske og kvantebeslutninger. Dette var det som førte teamet til å tro at kvantemristoren er det som trengs for å slå sammen feltene kunstig intelligens og kvantekomputering. 

Michele Spagnolo er førsteforfatter av forskningen. 

“Å låse opp det fulle potensialet for kvanteressurser innen kunstig intelligens er en av de største utfordringene i dagens forskning i kvantefysikk og datavitenskap,” sa Spagnolo.