Квантовые компьютеры, опираясь на суперпозицию и запутанность материи, обещают революционные вычислительные возможности для решения сложных задач в фундаментальных исследованиях. Несовершенство квантовых компьютеров, высокая чувствительность к внешним воздействиям и принадлежность к классу NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum) – это препятствия, которые исследователи пытаются преодолеть, черпая вдохновение из человеческого мозга.
В 2018 году американский физик Джон Прескилл в журнале Quantum заявил о начале эры NISQ — «шумного промежуточного квантового масштаба», то есть периода работы несовершенных компьютеров из нескольких кубитов (от 50 до 100), которые содержат ошибки, но способны решать задачи, недоступные для обычных вычислительных систем. Шум в квантовых вентилях будет мешать созданию больших квантовых схем, работающих безошибочно. «, — указывает он в своей .
Ограничение не позволяет эффективно применять квантовые машины для квантового машинного обучения. Поэтому исследования направлены на создание квантовых вентилей, которые будут все более точными и устойчивыми к влияниям внешних факторов. Внедряются модели квантового машинного обучения, вдохновленные динамикой мозга (устойчивого к помехам), как способ преодолеть аппаратные ограничения устройств NISQ. В этом контексте команда из Гарвардского университета показывает, что квантовый компьютер, построенный из гигантских атомов, теоретически может имитировать некоторые функции мозга.
Атомно-основанная квантовая нейронная сеть
Обсуждаемые «гигантские атомы» — это ридберговские атомы — атомы рубидия в возбужденном состоянии с большим главным квантовым числом, у которых огромные электронные орбитали, допускающие запутывание благодаря сильным диполь-дипольным взаимодействиям. Большие размеры этих атомов обусловлены вращением некоторых электронов далеко от ядра. Они очень чувствительны к свету и управляются лазерами. Часто используются в экспериментах по квантовой декогеренции, которая пытается связать правила квантовой физики с классической.
Родриго Араиза Браво и его коллеги из Гарвардского университета при помощи компьютерного моделирования продемонстрировали возможность постройки нового типа квантового компьютера из атомов Ридберга. Исследователи обнаружили, что шесть атомов Ридберга можно манипулировать лазерами для формирования рекуррентной нейронной сети (RNN) — модели нейронных цепей человеческого мозга. В их теоретической модели квантовые состояния электрона на внешнем слое каждого атома рубидия соответствуют состояниям нейрона мозга, которые могут быть активными или неактивными.
«Наша квантовая сеть qRNN основана на естественной динамике гамильтониана, связывающего взаимодействующие спин-1/2 частицы для вычислений. Исследователи в предпубликационной статье объясняют, что в квантовых системах нейронные сети труднее реализовать, чем в классических компьютерах. По этой причине теоретически такие сети способны решать еще более сложные задачи за меньшее время.
Задачи на запоминание и принятие решений
Браво и его команда продемонстрировали, что их квантовая RNN способна воспроизводить обучение нескольким когнитивным задачам, таким как многозадачность, принятие решений и долговременная память. Для этого ими была смоделирована бомбардировка атомов рубидия двумя различными лазерными импульсами, а затем нейронная сеть обучена выбирать более интенсивный импульс — для развития ее способности принимать решения.
Чтобы проверить способность к запоминанию, команда провели повторную симуляцию с задержкой в одну десятую микросекунды между двумя лазерными импульсами. qRNN должен был запомнить первый импульс до получения второго. Исследователи указывают, что обычные RNN для решения задач и работы памяти нуждаются в связи между всеми нейронами. Ввиду физических ограничений связи команда выбрала особенную архитектуру для предотвращения изоляции нейронов друг от друга.
Мозг, пожалуй, самая эффективная машина для обработки информации и потребления энергии. Эмулировать его возможности с помощью квантовой системы будет настоящим прорывом. Браво и его коллеги работают над созданием такого компьютера, который пока находится на теоретической стадии, и даже рассматривают возможность создания компьютера с еще большим количеством атомов.