Сотрудники физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и Курчатовского института 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. 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 мемристора на ультрахолодных ионах была предложена в 2023 году сотрудниками физического факультета МГУ совместно с коллегами из ФИАН.

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 ²S_1/2(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 ионов 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 учёные 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.

Источник: МГУ.