Российские ученые впервые предложили использовать ультрахолодные ионы для создания квантовых мемристоров и проведения квантовых нейроморфных вычислений. 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 ионнная платформа обладает рядом преимуществ по сравнению с предложенными ранее, поскольку в рамках нее открывается возможность создания целой последовательности связанных единичных мемристоров для проведения логических операций. Результаты работы опубликованы в журнале Entropy, сообщает пресс-служба МГУ имени М. В. Ломоносова.
Нейроморфные вычисления, которые проводятся преимущественно с использованием классических мемристоров (устройств, электрическое сопротивление которых зависит от заряда, протекшего через них в предыдущие моменты времени) доказали свою эффективность при решении ряда задач, таких как распознавание образов и речи, прогнозирование, обобщение. Также сейчас активно развиваются квантовые вычисления, которые имеют неоспоримые преимущества по сравнению с классическими благодаря высокому уровню параллелизма, масштабируемости, принципу суперпозиции и запутанности. В результате у ученых возникла 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.
Для реализации концепции квантового мемристора необходимо поместить ультрахолодный ион в ловушку Пауля, облучить его двумя лазерными полями, частота колебаний электромагнитного поля которых попадает в резонанс с последовательными переходами между уровнями иона. Такое воздействие позволяет инициировать осцилляции населенности Раби между специально подобранными тремя уровнями иона. Измеряя населенность одного из выбранных уровней, внося тем самым частичную декогерентность в общее состояние 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.
Предложенная идея была подтверждена проведенной 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 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.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
