Квантовый нейрорасчет на холодном ионе

Ловушка Пауля и осцилляции Раби

Нейроморфные вычисления в основном проводятся с использованием классических мемристоров — устройств, электрическое сопротивление которых зависит от заряда, протекшего через них в предыдущие моменты времени, что позволяет им «запоминать» электрический сигнал, аналог гестерезиса в магнетизме для электричества. Такие вычисления доказали свою эффективность при решении ряда задач, таких, например, как распознавание образов и речи, прогнозирование, обобщение. Вместе с тем в настоящее время активно развиваются квантовые вычисления, которые имеют неоспоримые преимущества по сравнению с классическими благодаря высокому уровню параллелизма, масштабируемости, принципу суперпозиции и запутанности. Возникла естественная идея найти такой класс устройств, который позволил бы проводить нейроморфные квантовые вычисления. К таким устройствам относятся квантовые мемристоры.

«К настоящему моменту направление развития квантовых мемристоров и их использования в нейроморфных вычислениях находится еще в зачаточной стадии. Предложена реализация квантовых мемристоров на нескольких платформах, на которых как раз и развиваются квантовые вычисления: квантовая фотоника и сверхпроводящие схемы. На некоторых из них уже реализуются методы машинного обучения. Однако за рамками рассмотрения оказалась ионная платформа, которая продемонстрировала свои уникальные преимущества в квантовых вычислениях», — отметил автор исследования, заместитель декана по научной работе физического факультета МГУ Павел Форш.

Это позволяет объединить преимущества квантовых вычислений и нелинейной мемристивной динамики изменения параметров, осуществлять хранение информации и проведение вычислений в рамках одного объекта. Ученые пришли к выводу, что ионная платформа — помещение ионов в электродинамическую ловушку — обладает рядом преимуществ по сравнению с предложенными ранее, поскольку в ее рамках открывается возможность создания целой последовательности связанных единичных мемристоров для проведения логических операций.

Для реализации концепции квантового мемристора необходимо поместить ультрахолодный ион в ловушку Пауля (использует динамические электрические поля для улавливания заряженных частиц), облучить его двумя лазерными полями, частота колебаний электромагнитного поля которых попадает в резонанс с последовательными переходами между уровнями иона. Такое воздействие позволяет инициировать осцилляции Раби населенности между специально подобранными тремя уровнями иона (осцилляции Раби — плавный и периодический переход системы между энергетическими уровнями в ситуации воздействия на нее достаточно длинного и интенсивного импульса). Измеряя населенность одного из выбранных уровней и внося тем самым частичную декогерентность общему состоянию системы на определенном временном отрезке, можно модифицировать частоту осцилляций населенностей Раби, изменяя параметры лазерного поля (интенсивности излучения, длительности импульса) для последующего интервала времени. Тем самым осуществляется эффективное управление динамикой населенностей уровней трехуровневой системы. В результате чего, определяя входной сигнал в качестве населенности выбранного уровня после действия одночастотного поля, а выходной сигнал — в качестве населенности того же уровня после действия двух лазерных импульсов и осуществляя управление параметрами полей, можно получить гистерезисную зависимость выходного сигнала при изменении входного сигнала.

Автор исследования, заместитель декана по научной работе физического факультета МГУ Павел Форш

declarator.org

Многослойный квантовый персептрон

Предложенная идея была подтверждена серией численных расчетов. Кроме того, на примере 171Yb+ были предложены конкретные уровни, которые соответствуют необходимым условиям для осуществления мемристивной динамики, а также удобны для экспериментальной реализации квантового мемристора.

«Таким образом, мы впервые сформулировали идею создания квантовых мемристоров на ионной платформе, предложили конкретную схему для экспериментальной реализации предложенного объекта. Кроме того, продемонстрировали преимущество ионной платформы для реализации квантового мемристора, которое заключается в том, что квантовое состояние может быть передано другому связанному силами кулоновского взаимодействия иону по цепочке за счет низкочастотной колебательной моды центра масс. Это позволит задействовать два и более ионов для проведения логических операций, формируя нейронную сеть. Вместе с тем обилие уровней даже в одиночном ионе позволяет предложить схему связанных квантовых мемристоров в рамках одного иона, когда последовательное действие резонансных полей позволяет передавать состояние от мемристора к мемристору. Наличие двух и более групп уровней на одном ионе с предложенной схемой передачи информации по цепочке связанных ультрахолодных ионов позволит создавать многослойные квантовые персептроны, которые являются основной нейронных сетей», — подвел итог работы профессор физического факультета МГУ Сергей Стремоухов.

Результаты работы опубликованы в журнале Entropy. Исследования проводились в рамках Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина».