Физики МГУ разработали модель связанных квантовых мемристоров на одиночном ионе

Ученые физического факультета МГУ совместно с коллегами из Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук развили свою модель квантового мемристора на одиночном ионе иттербия. Они предложили способ совместного применения двух связанных друг с другом квантовых мемристоров на одиночном ионе посредством использования оптических и радиочастотных переходов, возбуждаемых резонансными лазерными полями. Предложенный способ позволяет задействовать всего один ион для управления статистическими весами в двухслойных персептронах. Об этом сообщили в пресс-службе вуза. 

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

Мемристор — это энергонезависимое запоминающее устройство, сопротивление которого зависит от прошедшего через него заряда, то есть резистор с памятью. Он позволяет хранить информацию без источника питания, а также имитировать поведение нейронных синапсов. Способность мемристоров совмещать как хранение данных, так и вычисление в одном элементе идеально подходит для реализации биоинспирированных нейронных сетей в аппаратном обеспечении. 

Практически у всех созданных и исследованных на данный момент мемристоров входные и выходные сигналы (это, как правило, электрический ток и напряжение) являются классическими. Вместе с тем, в свете существенного развития квантовых технологий, возникает закономерный вопрос о возможности создания мемристивного устройства — квантового мемристора, — которое бы имело истинно квантовое поведение, что позволяло бы манипулировать квантовой информацией. Квантовый мемристор сочетает преимущества квантовых вычислений с возможностью хранения информации, что выгодно отличает его как от квантовых устройств хранения информации, так и от устройств реализации квантовых вычислений.

К настоящему моменту направление развития квантовых мемристоров только формируется. Существуют некоторые наиболее проработанные предложения по реализации квантового мемристора в сверхпроводящих схемах с использованием эффектов памяти, которые естественным образом возникают в джозефсоновских переходах. Также достаточно результативным с точки зрения создания квантового мемристора на данный момент представляется использование квантовых фотонных платформ и захваченных ультрахолодных ионов. Концепция квантового мемнистора на ультрахолодных ионах была предложена в 2023 году сотрудниками физического факультета МГУ совместно с коллегами из Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук.

В рамках данной работы предложены две схемы уровней ионов 171Yb+, которые являются подходящими и удобными для экспериментальной реализации квантового мемристора на основе ультрахолодных ионов, захваченных в ловушки Пауля. В предложенных двух схемах задействуется один общий уровень 2S1/2 (F = 0), что позволяет проводить обучение таких систем. 

«Наличие двух схем уровней на одном ионе с существенно различающимися друг от друга возбуждающими резонансными частотами позволяет предложить схему связанных квантовых мемристоров на одиночном ионе, когда последовательное действие резонансных полей позволяет передавать состояние от мемристора к мемристору», — прокомментировал заместитель декана по научной работе физического факультета МГУ, профессор Павел Форш.

Таким образом, на одном ионе реализуется два слоя мемристоров, что вместе с предложенной ранее схемой передачи информации по цепочке связанных низкочастотной колебательной модой центра масс ультрахолодных ионах позволяет сформировать многослойные квантовые персептроны.  

«Следует отметить, что классический мемристор по своим свойствам близок к синапсу, обеспечивающему контакт между нейронами в мозге. В то же время, некоторые ученые склоняются к тому, что работу мозга определяют законы квантовой физики. Если это так, то квантовый мемристор и вычислительные системы на его основе могут более точно имитировать работу мозга. Таким образом, разработка и создание квантовых мемристоров, а также многослойных квантовых персептронов на их основе, рассматриваемых в качестве основных элементов в биоподобных схемах обучения, полностью относится к природоподобным технологиям», — резюмировал профессор физического факультета МГУ Сергей Стремоухов.