Ученые МГУ предложили концепцию квантового мемристора на ультрахолодных ионах

Ученые физического факультета МГУ и их коллеги из Физического института имени П. Н. Лебедева Российской академии наук выступили с предложением об использовании ультрахолодных ион для создания квантовых мемристоров и проведения квантовых нейроморфных вычислений. Об этом сообщили в пресс-службе вуза. 

Такая инициатива дает возможность объединить преимущества квантовых вычислений и нелинейной мемристивной динамики изменения параметров, осуществлять хранение информации и проведение вычислений в рамках одного объекта. Согласно исследованию ученых, у ионной платформы имеется ряд преимуществ в сравнении с предложенными ранее, так как в рамках нее открывается возможность создания целой последовательности связанных единичных мемристоров для проведения логических операций.

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

«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.

Реализация концепции квантового мемристора возможна после помещения ультрахолодных ион в ловушку Пауля, облучения его двумя лазерными полями, частота колебаний электромагнитного поля которых попадает в резонанс с последовательными переходами между уровнями иона. Такое воздействие дает возможность инициировать осцилляции Раби населенности между специально подобранными тремя уровнями иона. Измеряя населенность одного из выбранных уровней, можно модифицировать частоту осцилляций населенностей Раби: в первую очередь необходимо изменить параметры лазерного поля (интенсивности излучения, длительности импульса) для последующего интервала времени. Тем самым осуществляется эффективное управление динамикой населенностей уровней трехуровневой системы. В результате чего можно получить гистерезисную зависимость выходного сигнала при изменении входного сигнала.

Предложенную идею подтвердили проведенной серией численных расчетов. Кроме того, на примере 171Yb+ ученые предложили конкретные уровни, которые соответствуют необходимым условиям для осуществления мемристивной динамики, а также являются удобными 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», — заключил профессор физического факультета МГУ Сергей Стремоухов.