Il "quantum memristor"

L’esperimento del Cnr: un neurone artificiale quantistico grazie ai fotoni

Il dispositivo potrebbe aprire scenari inediti, liberando le enormi potenzialità del calcolo quantistico nelle applicazioni dell'intelligenza artificiale

L’esperimento del Cnr: un neurone artificiale quantistico grazie ai fotoni
Equinox graphics
Rappresentazione artistica di una rete di neuroni

L'intelligenza artificiale è impiegata in diverse applicazioni come l'interpretazione del parlato, il riconoscimento di immagini e la diagnostica medica. Le tecnologie quantistiche, invece, permettono di raggiungere un potere di calcolo superiore a quello dei maggiori supercalcolatori. 

Un gruppo di fisici del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr), del Politecnico di Milano e dell'Università di Vienna, hanno messo a punto un dispositivo, chiamato quantum memristor, che potrebbe permettere di combinare l'intelligenza artificiale e il calcolo quantistico, schiudendo potenzialità senza precedenti. L'esperimento è stato realizzato in un processore quantistico integrato, funzionante con singoli fotoni.

Lo studio è riuscito a conquistare la copertina della rivista Nature Physics perché affronta una delle sfide più importanti della ricerca, ovvero sviluppare dispositivi integrati e compatti capaci di svolgere in modo rapido ed efficiente le operazioni matematiche richieste per il funzionamento delle reti neurali dell'intelligenza artificiale.

Gli algoritmi di intelligenza artificiale, infatti, si basano su modelli matematici chiamati reti neurali, ispirati alla struttura biologica del cervello umano, che si compone di nodi interconnessi (i neuroni). Così come nel nostro cervello il processo di apprendimento è basato sul riarrangiamento delle connessioni tra i neuroni, le reti neurali artificiali possono essere “allenate” su un insieme di dati noti che ne modificano la struttura interna, rendendola capace di svolgere compiti “umani” quali il riconoscimento di un volto, l’interpretazione di immagini mediche per diagnosticare malattie e persino la guida di un’automobile. Per questo, sono in corso attività di ricerca, a livello accademico e industriale, volte a ottenere dispositivi integrati e compatti capaci di svolgere le operazioni matematiche richieste per il funzionamento delle reti neurali in modo rapido ed efficiente.

Una svolta in questo campo era già stata impressa dal memory resistor o memristor, un componente che cambia la sua resistenza elettrica sulla base di una memoria della corrente che l'ha attraversato, un meccanismo molto simile a quello delle connessioni fra neuroni: per questo il memristor è diventato un elemento fondamentale con cui costruire architetture neuromorfe che imitano il cervello.

I ricercatori di Cnr-Ifn, Università di Vienna e Politecnico di Milano sono andati oltre, dimostrando 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. "Abbiamo anche simulato un'intera rete ottica composta di quantum memristor - spiega Andrea Crespi - mostrando che potrebbe essere impiegata per apprendere compiti sia classici che quantistici". Quest'ultimo risultato sembra suggerire che il quantum memristor possa essere il collegamento mancante tra l'intelligenza artificiale e la computazione quantistica.