Kun valo "ajattelee" aivan kuin aivot

Kansainvälinen tutkimus on paljastanut yllättävän yhteyden kvanttifysiikan ja tekoälyn taustalla olevien teoreettisten mallien välillä.

Tutkimus on seurausta Italian kansallisen tutkimusneuvoston nanoteknologian instituutin (Cnr-Nanotec), Italian teknillisen instituutin (IIT) ja Rooman Sapienza-yliopiston sekä kansainvälisten tutkimuslaitosten yhteistyöstä.

Italialaiset tutkijat osoittavat artikkelissaan, että optisissa piireissä spontaanisti etenevät identtiset fotonit käyttäytyvät kuin Hopfield-verkko, joka on yksi tunnetuimmista matemaattisista malleista, joita käytetään kuvaamaan ihmisaivojen assosiatiivisia muistimekanismeja.

”Perinteisten elektronisten sirujen sijaan hyödynsimme kvantti-interferenssiä – ilmiötä, joka tapahtuu fotonisiruissa, kun valonhiukkaset limittyvät ja vuorovaikuttavat keskenään koodatakseen ja hakeakseen informaatiota”, selittää Marco Leonetti, tutkimuksen koordinaattori ja vastaava kirjoittaja. ”Tässä järjestelmässä fotonit eivät ole pelkästään informaation kantajia, vaan niistä itsestään tulee assosiatiivisen muistin ’neuroneja’.”

Tutkimus korostaa myös muistikapasiteetin perustavanlaatuista rajaa, joka on analoginen biologisissa järjestelmissä havaitun kanssa.

”Kun tallennetun informaation määrä on rajallinen, järjestelmä pystyy hakemaan sen oikein kvanttikoherenssin ansiosta”, lisää Gennaro Zanfardino, tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja. ”Kuitenkin datan määrän kasvaessa tapahtuu siirtymä kohti muistin pimenemisvaihetta, jossa järjestelmä siirtyy epäjärjestyksen tilaan, teknisesti spin-lasiksi määriteltyyn tilaan, ja menettää hakukykynsä.”

"Tutkijoiden tulokset avaavat uusia näkökulmia kvanttioptiikan ja integroidun fotoniikan käyttöön tekoälyjärjestelmien kehittämisessä", korostaa Luca Leuzzi. "Tällaiset laitteet voisivat varmistaa korkean suorituskyvyn huomattavasti alhaisemmalla energiankulutuksella verrattuna nykyisiin datakeskuksiin."

Tutkimuksen vaikutukset ulottuvat tekoälyalan ulkopuolelle. Kehitetty fotoniikka-alusta mahdollistaa monimutkaisten ja epäjärjestyneiden fysikaalisten järjestelmien simuloinnin ja tutkimisen, joita on vaikea käsitellä perinteisillä tietokoneilla.

”Tässä tutkimuksessa, josta olemme erityisen ylpeitä, osoitamme, että klassisissa järjestelmissä havaitut epäjärjestyksen lait ilmenevät myös kvanttifotonipiireissä”, toteaa Fabrizio Illuminati. ”Valosta tulee näin todellinen pienoislaboratorio, joka kykenee tutkimaan luonnollisia ja keinotekoisia järjestelmiä hallitsevia monimutkaisia ilmiöitä ilmastosta biologisiin verkostoihin.”

Aiheesta aiemmin:

Valon voiman ja vaiheen itsenäinen hallinta sähköisesti

Tulevaisuuden väreilyä: kvantti-interferenssiä fononeilla

Uusi tapa hallita kvanttihiukkasia kiinteissä aineissa