Ученые физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с коллегами из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН провели асимптотический анализ динамики квантового мемристора на одиночном ионе ¹⁷¹Yb⁺ и получили аналитическое решение уравнений, описывающих его работу. Экспериментальный квантовый элемент памяти может стать основой будущих квантовых нейросетей. Результаты исследования опубликованы в журнале «Письма в ЖЭТФ».
Мемристор — энергонезависимый элемент с памятью, сопротивление которого зависит от его предыстории. Благодаря способности совмещать хранение данных и вычисления в одном элементе они рассматриваются как перспективная основа для биоинспирированных нейронных сетей. Квантовый мемристор расширяет эту концепцию: его входные и выходные сигналы имеют истинно квантовую природу, что открывает возможности для манипуляций с квантовой информацией и построения квантовых нейроморфных вычислительных систем.
Концепция квантового мемристора на ультрахолодных ионах, захваченных в ловушки Пауля, была предложена сотрудниками МГУ и ФИАН в 2023 году. В качестве платформы был выбран ион ¹⁷¹Yb⁺: входным и выходным сигналами устройства служат населенности энергетических уровней иона, изменяемые двумя резонансными лазерными полями, которые вызывают осцилляции Раби (квантовые «качели», при которых атом или электрон под действием внешнего поля ритмично переключается между двумя энергетическими состояниями) между уровнями трехуровневой системы.
В текущей работе авторы рассмотрели режим, в котором импульсы существенно разнесены во времени: амплитуда одного поля в период действия другого пренебрежимо мала. В этом случае исходная система уравнений распадается на две независимые подсистемы, каждая из которых допускает точное аналитическое решение. Входной и выходной сигналы мемристора, а также его управляющий параметр удается выразить в явном виде через параметры лазерных импульсов.
«Идея последовательного воздействия резонансных лазерных полей на квантовую систему позволила лучше продемонстрировать поведение разрабатываемого нами вычислительного элемента, а также открывает больше возможностей для обработки информации», — отметил профессор физического факультета МГУ Сергей Стремоухов.
Авторы также показали, что параметр скользящего окна интегрирования T, входящий в уравнение обратной связи, существенно влияет на форму петли гистерезиса — ключевой характеристики мемристора. Управляя этим параметром, можно гибко перестраивать поведение устройства, что особенно важно при обучении нейроморфных систем.
«Это позволяет контролируемо управлять состояниями квантового мемристора с помощью обратной связи», – подчеркнул заместитель декана по научной работе, профессор физического факультета МГУ Павел Форш.
Важным практическим результатом работы стало то, что параметры ионного мемристора записаны в формализме, разработанном для фотонной платформы. Это позволит напрямую применять алгоритмы, созданные для фотонных квантовых мемристоров, к ионной системе, а разработанный математический аппарат использовать для анализа мемристивных свойств других ионов.
«Такая унификация позволит в перспективе сравнить эффективности работы двух устройств, а также применять разрабатываемые алгоритмы использования этих вычислительных систем независимо от платформы, на которой они созданы», — добавил студент физического факультета МГУ Илья Ковалишин.
Информация предоставлена пресс-службой МГУ
Источник фото: yuyu2000 / ru.123rf.com
