Fizycy dokonują przełomu z nowym urządzeniem kwantowym

Zespół fizyków z Uniwersytetu Wiedeńskiego stworzył nowe urządzenie kwantowe zwane kwantowym memristorem, które mogłoby połączyć światy sztucznej inteligencji (AI) i technologii kwantowej. Eksperyment, który został przeprowadzony wraz z Narodową Radą Badań (CNR) i Politechniką Mediolańską we Włoszech, został zrealizowany na zintegrowanym procesorze kwantowym, który działa na pojedynczych fotonach. 

Badania zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Photonics. 

Odkrycie memristora

Aplikacje sztucznej inteligencji opierają się na sieciach neuronowych inspirowanych biologiczną strukturą ludzkiego mózgu i są matematycznie szkolone, aż będą mogły wykonywać zadania ludzkie, takie jak rozpoznawanie twarzy, prowadzenie lub interpretowanie obrazów. Jednym z głównych obszarów badań w tych dziedzinach, zarówno w akademii, jak i w przemyśle, jest integracja urządzeń, które mogą wykonywać obliczenia szybko i efektywnie. 

W 2008 roku nastąpił duży postęp w tej dziedzinie dzięki odkryciu memristora, który jest urządzeniem, którego opór zmienia się w zależności od pamięci przeszłego prądu. Po odkryciu memristora naukowcy dowiedzieli się, że zachowanie memristorów jest podobne do synaps neuronowych. Spowodowało to, że memristor stał się ważną częścią architektur neuromorficznych. 

Inżynieria kwantowego memristora

Grupę fizyków doświadczalnych kierowali prof. Phillip Walther i dr Roberto Osellame, i udowodnili, jak urządzenie o takim samym zachowaniu jak memristor mogłoby być zaprojektowane. Urządzenie to działa również na stanach kwantowych i może kodować i przesyłać informacje kwantowe, co doprowadziło do nazwania go „kwantowym memristorem”. Jest to bardzo trudne do stworzenia takiego urządzenia ze względu na dynamikę memristora, która często sprzeciwia się typowemu zachowaniu kwantowemu. 

Zespół opierał się na pojedynczych fotonach i ich zdolności do propagacji jednocześnie w superpozycji dwóch lub więcej ścieżek. To dramatycznie pomogło zespołowi zrealizować takie urządzenie. 

Przeprowadzili eksperyment, w którym pojedyncze fotony były propagowane wzdłuż waveguide’ów laserowo zapisanych na szklanym podłożu. Te pojedyncze fotony były prowadzone w superpozycji kilku ścieżek, a jedna z tych ścieżek była używana do pomiaru strumienia fotonów przepływających przez urządzenie. Ilość tych fotonów moduluje transmisję na innym wyjściu, co osiąga pożądane zachowanie podobne do memristora. 

Badacze byli również w stanie przeprowadzić symulacje, które dowodzą, że sieci optyczne z kwantowymi memristorami mogą być używane do nauki klasycznych i kwantowych zadań. To spowodowało, że zespół uwierzył, że kwantowy memristor jest tym, co jest potrzebne do połączenia pól sztucznej inteligencji i obliczeń kwantowych. 

Michele Spagnolo jest pierwszym autorem badań. 

„Odblokowanie pełnego potencjału zasobów kwantowych w sztucznej inteligencji jest jednym z największych wyzwań bieżących badań w fizyce kwantowej i informatyce”, powiedział Spagnolo.