Fizycy dokonują przełomu dzięki nowemu urządzeniu kwantowemu

Zespół fizyków z Uniwersytetu Wiedeńskiego stworzył nowe urządzenie kwantowe zwane memrystorem kwantowym, które może łączyć świat sztucznej inteligencji (AI) i technologii kwantowej. Eksperyment, który przeprowadzono we współpracy z Krajową Radą ds. Badań Naukowych (CNR) i Politechniką w Mediolanie we Włoszech, zrealizowano na zintegrowanym procesorze kwantowym działającym na pojedynczych fotonach. 

Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Nature Photonics. 

Odkrycie memrystora

Aplikacje sztucznej inteligencji opierają się na sieciach neuronowych inspirowanych biologiczną strukturą ludzkiego mózgu i są szkolone matematycznie, dopóki nie będą w stanie wykonywać ludzkich zadań, takich jak rozpoznawanie twarzy, prowadzenie pojazdu czy interpretowanie obrazów. Jednym z głównych obszarów badań w tych dziedzinach, zarówno w środowisku akademickim, jak i przemysłowym, jest integracja urządzeń umożliwiających szybkie i wydajne wykonywanie obliczeń. 

W 2008 roku nastąpił duży krok naprzód w tej dziedzinie wraz z odkryciem memrystora, czyli urządzenia, które zmienia swój opór w zależności od zapamiętania przeszłego prądu. Po odkryciu memrystora naukowcy odkryli, że zachowanie memrystorów jest podobne do synaps neuronowych. To spowodowało, że memrystor stał się główną częścią architektur neuromorficznych. 

Inżynieria memrystora kwantowego

Grupą fizyków eksperymentalnych kierowaną przez profesora Phillipa Walthera i dr Roberto Osellame'a zademonstrowano, w jaki sposób można zaprojektować urządzenie o takim samym zachowaniu jak memrystor. Urządzenie to oddziałuje również na stany kwantowe i może kodować i przesyłać informacje kwantowe, dlatego nazywa się je „memrystorem kwantowym”. Stworzenie takiego urządzenia jest niezwykle trudne, biorąc pod uwagę dynamikę memrystora, która często zaprzecza typowemu zachowaniu kwantowemu. 

Zespół oparł się na pojedynczych fotonach i ich zdolności do jednoczesnej propagacji w wyniku superpozycji dwóch lub więcej ścieżek. To właśnie pomogło zespołowi w stworzeniu takiego urządzenia. 

Przeprowadzili eksperyment, w którym pojedyncze fotony propagowane były wzdłuż falowodów zapisanych laserowo na szklanym podłożu. Te pojedyncze fotony prowadzono na zasadzie superpozycji kilku ścieżek, a jedną z tych ścieżek wykorzystano do pomiaru strumienia fotonów przemieszczających się przez urządzenie. Ilość tych fotonów moduluje transmisję na drugim wyjściu, co pozwala uzyskać pożądane zachowanie podobne do memrystora. 

Naukowcy byli także w stanie przeprowadzić symulacje wykazujące, że sieci optyczne z memrystorami kwantowymi można wykorzystać do uczenia się zadań klasycznych i kwantowych. To właśnie skłoniło zespół do przekonania, że ​​memrystor kwantowy jest tym, czego potrzeba do połączenia dziedzin sztucznej inteligencji i obliczeń kwantowych. 

Michele Spagnolo jest pierwszym autorem badania. 

„Uwolnienie pełnego potencjału zasobów kwantowych w sztucznej inteligencji to jedno z największych wyzwań stojących przed obecnymi badaniami w fizyce kwantowej i informatyce” – powiedział Spagnolo.