Fizycy dokonują przełomu z nowym urządzeniem kwantowym

Zespół fizyków z Uniwersytetu Wiedeńskiego stworzył nowe urządzenie kwantowe zwane kwantowym memristorem, które może 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.

Odkrywanie memristora

Aplikacje sztucznej inteligencji opierają się na sieciach neuronowych inspirowanych biologiczną strukturą ludzkiego mózgu, a są one matematycznie szkolone, aż będą mogły wykonywać zadania ludzkie, takie jak rozpoznawanie twarzy, prowadzenie samochodu 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. To spowodowało, że memristor stał się ważną częścią architektur neuromorficznych.

Inżynieria kwantowego memristora

Grupę fizyków doświadczalnych kierowali prof. Phillip Walther i dr Roberto Osellame, a oni udowodnili, jak urządzenie o takim samym zachowaniu jak memristor może być zaprojektowane. To urządzenie również działa 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 oparł 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 szklanej podstawie. 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.

Naukowcy 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 ramach sztucznej inteligencji jest jednym z największych wyzwań bieżących badań w fizyce kwantowej i informatyce”, powiedział Spagnolo.