Investigadores de la Universidad de Viena demuestran un procesador cuántico con circuitos ópticos

Viena, Austria, 25 de marzo de 2022: en los últimos años, la inteligencia artificial se ha vuelto omnipresente, con aplicaciones como la interpretación del habla, el reconocimiento de imágenes, el diagnóstico médico y muchas más. Al mismo tiempo, la tecnología cuántica ha demostrado ser capaz de obtener una potencia computacional que supera incluso a las supercomputadoras más grandes del mundo. Los físicos de la Universidad de Viena ahora han demostrado un nuevo dispositivo llamado memristor cuántico, que puede permitir que estos dos mundos se combinen, desbloqueando así un potencial sin precedentes. El experimento se realizó en colaboración con el Consejo Nacional de Investigación (CNR) y el Politecnico di Milano en Italia, y se realizó en un procesador cuántico integrado que funciona con fotones individuales. El trabajo fue publicado en la edición actual de Nature Photonics.

Representación abstracta de una red neuronal formada por fotones y con una capacidad de memoria potencialmente relacionada con la inteligencia artificial. Crédito: Equinox Graphics, Universidad de Viena

En el corazón de todas las aplicaciones de IA se encuentran modelos matemáticos llamados redes neuronales. Estos modelos están inspirados en la estructura biológica del cerebro humano, que se compone de nodos interconectados. Así como nuestro cerebro aprende reorganizando constantemente las conexiones entre las neuronas, las redes neuronales pueden entrenarse matemáticamente ajustando su estructura interna hasta que sean capaces de realizar tareas a nivel humano: reconocer nuestros rostros, interpretar imágenes médicas para el diagnóstico e incluso controlar nuestro carros. Tener dispositivos integrados capaces de realizar de manera rápida y eficiente los cálculos involucrados en las redes neuronales se ha convertido en un importante foco de investigación, tanto académico como industrial.

El descubrimiento del memristor, realizado en 2008, fue uno de los principales factores que cambiaron las reglas del juego en este campo. Este dispositivo cambia su resistencia dependiendo de la memoria de la corriente pasada, de ahí el nombre de memoria-resistencia o memristor. Inmediatamente después de su descubrimiento, los científicos se dieron cuenta (entre muchas otras aplicaciones) de que el extraño comportamiento de los memristores era sorprendentemente similar al de las sinapsis. Por lo tanto, el memristor se convirtió en un bloque de construcción básico en las estructuras neuronales.

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Un grupo de físicos experimentales de la Universidad de Viena, el Consejo Nacional de Investigación (CNR) y el Politecnico di Milano, dirigido por el profesor Philip Walter y el doctor Roberto Ocilam, han demostrado ahora que es posible diseñar un dispositivo con el mismo comportamiento que un memristor, mientras trabaja en estados cuánticos y es capaz de codificar y transmitir información cuántica. . En otras palabras, un memristor cuántico. Lograr un dispositivo de este tipo es un desafío porque la dinámica de los memristores tiende a contradecir el comportamiento cuántico típico.

Una representación artística de una red neuronal que contiene interferómetros Mach-Zehnder ópticamente interconectados. El interferómetro es el componente principal de un memristor cuántico. Crédito: Equinox Graphics, Universidad de Viena

Mediante el uso de fotones individuales, es decir, partículas cuánticas únicas de luz, y explotando su capacidad única para propagarse simultáneamente en una superposición de dos o más caminos, los físicos han superado el desafío. En su experimento, los fotones individuales se dispersan a lo largo de guías de ondas escritas con láser en un sustrato de vidrio y se dirigen en una superposición de varios caminos. Uno de estos caminos se usa para medir el flujo de fotones que pasan a través del dispositivo y esta cantidad, a través de un complejo esquema de retroalimentación electrónica, modula la transmisión en la otra salida, logrando así el comportamiento memristivo deseado. Además de demostrar un memristor cuántico, los investigadores han presentado simulaciones que muestran que las redes ópticas con un memristor cuántico se pueden utilizar para aprender tanto en tareas clásicas como cuánticas, dando a entender que el memristor puede ser el eslabón perdido entre la inteligencia artificial y la computación cuántica.

«Liberar todo el potencial de los recursos cuánticos en inteligencia artificial es uno de los mayores desafíos de la investigación actual en física cuántica e informática», dice Michele Spagnolo, primer autor de la publicación en Nature Photonics. El grupo de Philip Walther de la Universidad de Viena demostró recientemente que los robots pueden aprender más rápido cuando usan recursos cuánticos y planea tomar prestado de la computación cuántica. Este nuevo logro representa otro paso hacia el futuro donde la IA cuántica se convierte en realidad.

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Publicado en Fotónica de la naturaleza

Memristor experimental de fotones cuánticos. Michele Spagnolo, Joshua Morris, Simone Piacentini, Michael Antsberger, Francesco Massa, Andrea Crespi, Francesco Cicarelli, Roberto Osellam, Philip Walter. DOI: 10.1038 / s41566-022-00973-5. Ingresa a este enlace para más información: https://www.nature.com/articles/s41566-022-00973-5.


fuente: Universidad de Viena

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