Klassisesta valosta kvanttikone

Louisiana State Universityn (LSU) fysiikan tiimi on kehitellyt menetelmän muuttaa klassinen valo kvanttista säilölaskentaa varten

Hauraan kvanttivalolähteen sijaan tiimi aloittaa kirkkaasta, helposti saatavilla olevasta klassisesta valosta ja käyttää optista verkkoa yhdessä mittausten kanssa, jotka laskevat fotoneja yksi kerrallaan. Tämä yhdistelmä paljastaa ja käyttää piilevää monifotonista kvanttikäyttäytymistä informaation käsittelyssä.

LSU:n tutkijat raportoivat ensimmäisestä laatuaan olevasta vankasta monifotonisesta kvanttisäilöstä, joka toimii huoneenlämmössä sietäen samalla huomattavaa kohinaa ja hävikkiä. Alusta käyttää jopa 40 fotonin monihiukkasjärjestelmiä, simuloi monimutkaista kvanttidynamiikkaa ja käyttää samaa optista konetta useiden hyvin erilaisten matemaattisten funktioiden oppimiseen.

Säilölaskenta hyödyntää fyysisen järjestelmän luonnollista monimutkaisuutta vaativien laskennallisten tehtävien suorittamiseen. Informaatio saapuu monimutkaiseen verkkoon ja kulkee monia toisiinsa liittyviä reittejä pitkin, jolloin tuloksena syntyy rikas kuvio. Sen sijaan, että tutkijat kontrolloisivat jokaista vuorovaikutusta matkan varrella, heidän tarvitsee vain kouluttaa yksinkertainen lukulaite tulkitsemaan lopullista kuviota. LSU-kokeessa valo itse suoritti monimutkaiset muutokset, kun taas fotonienlaskennan mittaukset paljastivat tuloksena oleviin kuvioihin koodatun informaation.

”Sen sijaan, että vaadittaisiin täydellisesti eristettyjä ja äärimmäisen hauraita kvanttijärjestelmiä, osoitamme, että hyödyllistä kvanttikäyttäytymistä voidaan saada aikaan tavallisesta klassisesta valosta, jopa huomattavan kohinan ja häviön läsnä ollessa”, sanoo apulaisprofessori Omar S. Magaña-Loaiza. ”Järjestelmämme toimii huoneenlämmössä ja antaa meille pääsyn monihiukkasisiin kvanttijärjestelmiin, jotka sisältävät jopa 40 hiukkasta. Tämä antaa meille mahdollisuuden tutkia monimutkaisia kvanttidynamiikkoja ja käyttää niitä informaation käsittelyyn samalla alustalla.”

Tutkijat käyttivät alustaa ensin kvanttisimulaattorina. Yhdessä demonstraatiossa fotonien lukumäärän mittaukset palauttivat kvanttisatunnaiskävelyn ominaisen leviämisen jopa silloin, kun optinen verkko oli kohinaista. Toisessa valon eri tiloista valmistettu synteettinen hila toisti termisaation ja anti-termisaation: prosessit, joissa monihiukkasjärjestelmän fluktuaatiot kasvavat tai kutistuvat järjestelmän kehittyessä. Nämä demonstraatiot osoittivat, että sama alusta voi toistaa useita erilaisia monimutkaisia monihiukkasisia kvanttidynamiikkoja.

Sitten tiimi tutki, pystyisikö alusta myös oppimaan. He kiinnittivät optisen verkon satunnaisesti valittuun konfiguraatioon ja koodasivat syötteet valon polarisaation mukaisesti. Säilö muutti jokaisen syötteen paljon rikkaammaksi kuvioksi eri spatiaalisten moodien ja fotonilukujen välillä. Vain lopullinen lukema piti kouluttaa. Ilman säiliön fyysistä uudelleenkonfigurointia järjestelmä oppi kuusi hyvin erilaista matemaattista funktiota. Epälineaarisimpien tehtävien osalta täydellisen fotonilukujakauman käyttö paransi ennusteita, mikä osoitti, että korkeamman asteen monifotonikorrelaatiot tarjoavat hyödyllisen laskennallisen resurssin.

”Yhdistimme valon polarisaation ja avaruudellisen rakenteen fotonilukuihin perustuviin mittauksiin yhdessä järjestelmässä”, sanoi tutkimuksen ensimmäinen ja vastaava kirjoittaja Mingyuan Hong. ”Tämä luo paljon rikkaamman informaatioavaruuden. Sama optinen alusta voi tutkia monihiukkasten kvanttidynamiikkaa ja oppia matemaattisia funktioita hyvin erilaisella käyttäytymisellä.”

Aiheesta aiemmin:

Kun valo "ajattelee" aivan kuin aivot

Ionigeelistä ja grafeenista tekoälyä koneoppimislaskelmiin

Kertakäyttöiset tekoälyanturit terveyden seurantaan