Fysiker gör genombrott med ny kvant enhet

En grupp fysiker vid Universitetet i Wien har skapat en ny kvant enhet som kallas kvantmemristor, som kan kombinera världarna av artificiell intelligens (AI) och kvantteknologi. Experimentet, som genomfördes tillsammans med den italienska nationella forskningsrådet (CNR) och Politecnico di Milano, genomfördes på en integrerad kvantprocessor som opererar på enskilda fotoner.

Forskningen publicerades i tidskriften Nature Photonics.

Upptäckten av memristorn

Tillämpningar av artificiell intelligens bygger på neuronnätverk som inspirerats av den biologiska strukturen i den mänskliga hjärnan, och de är matematiskt tränade tills de kan utföra mänskliga uppgifter som ansiktsigenkänning, körning eller tolkning av bilder. Ett av de stora forskningsområdena inom dessa områden, både inom akademin och industrin, är integrationen av enheter som kan utföra beräkningar snabbt och effektivt.

År 2008 var det ett stort framsteg inom området med upptäckten av memristorn, som är en enhet som ändrar sitt motstånd beroende på ett minne av tidigare ström. Efter upptäckten av memristorn lärde sig forskare att beteendet hos memristorer var liknande neurala synapser. Detta har gjort memristorn till en viktig del av neuromorfa arkitekturer.

Utvecklingen av den kvantmemristorn

Gruppen av experimentella fysiker leddes av professor Phillip Walther och Dr. Roberto Osellame, och de demonstrerade hur en enhet med samma beteende som en memristor kunde konstrueras. Denna enhet fungerar också på kvanttillstånd och kan koda och överföra kvantinformation, vilket ledde till att den kallades en “kvantmemristor”. Det är extremt svårt att skapa en sådan enhet med tanke på memristorns dynamik, som ofta strider mot typiskt kvantbeteende.

Forskargruppen förlitade sig på enskilda fotoner och deras förmåga att propagera samtidigt i en superposition av två eller flera banor. Detta hjälpte dramatiskt till att förverkliga en sådan enhet.

De genomförde ett experiment där enskilda fotoner propagerades längs vågledare som lasermärkts på ett glasunderlag. Dessa enskilda fotoner ledde på en superposition av flera banor, och en av dessa banor användes för att mäta flödet av fotoner som rörde sig genom enheten. Mängden av dessa fotoner modulerar överföringen på den andra utgången, vilket uppnår det önskade beteendet liknande en memristor.

Forskarna kunde också genomföra simuleringar som visade att optiska nätverk med kvantmemristorer kan användas för att lära klassiska och kvanta uppgifter. Detta ledde forskargruppen att tro att den kvantmemristorn är vad som behövs för att förena områdena artificiell intelligens och kvantberäkning.

Michele Spagnolo är den första författaren till forskningen.

“Att låsa upp den fulla potentialen av kvantresurser inom artificiell intelligens är en av de största utmaningarna inom nuvarande forskning inom kvantfysik och datavetenskap”, sa Spagnolo.