Een kunstmatig kwantumneuron gemaakt met fotonen

Het werk werd gepubliceerd in Nature Photonics.

Algoritmen voor kunstmatige intelligentie zijn gebaseerd op wiskundige modellen die neurale netwerken worden genoemd en die zijn geïnspireerd op de biologische structuur van het menselijk brein, dat bestaat uit onderling verbonden knooppunten (neuronen). Net zoals in onze hersenen het leerproces gebaseerd is op de herschikking van de verbindingen tussen neuronen, kunnen kunstmatige neurale netwerken worden ‘getraind’ op een set bekende gegevens die de interne structuur wijzigen, waardoor het in staat is om ‘menselijke’ taken uit te voeren, zoals zoals gezichtsherkenning, de interpretatie van medische beelden om ziekten te diagnosticeren en autorijden. Om deze reden is er onderzoek gaande, op academisch en industrieel niveau, gericht op het verkrijgen van geïntegreerde en compacte apparaten die in staat zijn om de wiskundige bewerkingen die nodig zijn voor de werking van neurale netwerken op een snelle en efficiënte manier uit te voeren.

Een doorbraak op dit gebied was de ontdekking van de geheugenweerstand of memristor, een onderdeel dat zijn elektrische weerstand verandert op basis van een herinnering aan de stroom die er doorheen ging. Wetenschappers hebben zich gerealiseerd dat deze werking verrassend veel lijkt op die van neurale synapsen, d.w.z. de verbindingen tussen neuronen in de hersenen, en de memristor is een fundamenteel onderdeel geworden waarmee neuromorfische architecturen kunnen worden gebouwd, dat wil zeggen, gesmeed als een model van onze hersenen.

Een groep experimentele natuurkundigen onder leiding van Roberto Osellame, onderzoeksdirecteur bij het Institute of Photonics and Nanotechnologies of the National Research Council (CNR-IFN), en Philip Walther, professor aan de Universiteit van Wenen, in samenwerking met Andrea Crespi, Associate Professor bij de Politecnico di Milano hebben nu aangetoond dat het mogelijk is om een ​​optisch apparaat te ontwerpen met dezelfde functionele kenmerken als de memristor, in staat te werken op kwantumtoestanden van licht en dus kwantuminformatie te coderen en door te geven: een kwantummemristor.

"Het maken van zo’n apparaat is geen triviale zaak, omdat de dynamiek van de memristor de neiging heeft om bepaalde voordelige aspecten van kwantumapparaten in gevaar te brengen. Onze onderzoekers hebben deze uitdaging overwonnen door enkelvoudige fotonen te gebruiken en hun kwantumvermogen te benutten om zich gelijktijdig in twee of meer paden voort te planten", zegt Osellame. "Deze fotonen worden geleid in zogenaamde optische circuits, gefabriceerd door middel van laserpulsen in een glazen chip, dynamisch herconfigureerbaar, die kwantumtoestanden van superpositie op verschillende paden kan ondersteunen. Door de stroom van fotonen te meten die zich op een van deze paden voortplant, is het mogelijk om, via een complex schema van elektronische feedback, de transmissie van het apparaat op de andere uitgang te herconfigureren, en dit stelt ons in staat om een ​​functionaliteit te verkrijgen die gelijkwaardig is aan die van de memristor."

"We hebben ook een volledig optisch netwerk gesimuleerd dat bestaat uit kwantum-memristors", zegt Crespi, "waaruit blijkt dat het kan worden gebruikt om zowel klassieke als kwantumtaken te leren". Dit resultaat lijkt te suggereren dat de kwantummemristor de ontbrekende schakel kan zijn tussen kunstmatige intelligentie en kwantumcomputing. "Het ontketenen van het potentieel van kwantumbronnen binnen kunstmatige-intelligentietoepassingen is een van de grootste uitdagingen van het huidige onderzoek, zowel in de kwantumfysica als in de informatica", concludeert eerste auteur Spagnolo. Deze nieuwe resultaten zijn een stap voorwaarts naar een toekomst waarin kwantum-AI een realiteit zal zijn.