ITALIAUn neurone artificiale quantistico grazie ai fotoni

Un team di fisici del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, dell’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-IFN) italiano e dell’Università di Vienna, ha messo a punto un dispositivo, chiamato “quantum memristor”, che potrebbe permettere di combinare Intelligenza Artificiale e calcolo quantistico, aprendo la strada a ricerche dal potenziale senza precedenti. L’esperimento è stato realizzato in un processore quantistico integrato, funzionante con singoli fotoni. Lo studio è stato pubblicato su Nature Photonics.
Gli algoritmi di AI si basano su modelli matematici chiamati reti neurali, ispirati alla struttura biologica del cervello umano, che è composto da nodi interconnessi, i neuroni. Così come nel nostro cervello il processo di apprendimento si fonda sulla riorganizzazione delle connessioni tra i neuroni, le reti neurali artificiali possono essere “addestrate” su un insieme di dati che ne modificano la struttura interna, rendendola capace di svolgere compiti per così dire “umani”.
Questa è la ragione per cui gli scienziati di tutto il mondo sono impegnati a sviluppare dispositivi integrati e compatti in grado di eseguire le operazioni matematiche necessarie al funzionamento delle reti neurali in modo rapido ed efficiente. Una svolta in questo campo è stata la scoperta del memory-resistor, o memristor, un componente che cambia la sua resistenza elettrica sulla base di una memoria della corrente che lo ha attraversato, un funzionamento sorprendentemente simile a quello delle sinapsi neurali. Il memristor, pertanto, è diventato un componente fondamentale con cui costruire architetture neuromorfe, cioè forgiate a modello del nostro cervello.
Il gruppo di fisici sperimentali italo-austriaci ha dimostrato che è possibile ingegnerizzare un dispositivo ottico con le stesse caratteristiche funzionali del memristor, capace di operare su stati quantistici della luce e così codificare e trasmettere informazioni quantistiche: un quantum memristor per l’appunto. «Realizzare un tale dispositivo non è banale, poiché le dinamiche del memristor tenderebbero a compromettere alcuni aspetti vantaggiosi dei dispositivi quantistici. I nostri ricercatori hanno superato questa sfida impiegando singoli fotoni e sfruttando la loro possibilità quantistica di propagarsi simultaneamente in due o più percorsi», ha affermato Roberto Osellame, direttore di ricerca presso il CNR-IFN.
«Questi fotoni sono condotti in cosiddetti circuiti ottici, fabbricati mediante impulsi laser in un chip di vetro, dinamicamente riconfigurabili, che possono supportare stati quantistici di sovrapposizione su diversi percorsi. Misurando il flusso di fotoni che si propaga su uno di questi percorsi è possibile, tramite un complesso schema di feedback elettronico, riconfigurare la trasmissione del dispositivo sull’altra uscita, e questo consente di ottenere una funzionalità equivalente a quella del memristor», ha continuato Osellame.
«Abbiamo anche simulato una intera rete ottica composta di quantum memristor, mostrando che potrebbe essere impiegata per apprendere compiti sia classici che quantistici», ha dichiarato Andrea Crespi, professore associato del Politecnico di Milano. Questo risultato sembra indicare che il quantum memristor possa quindi combinare l’AI e la computazione quantistica.