Искусственные нейронные сети умнеют на глазах

Управление двумя спинами элементарных частиц с помощью трех электродов (V). Фото Physorg

Еще сложнее в случаях исследования живых органов и тканей, например при использовании позитрон-эмиссионного томографа, для которого необходимы коротко живущие трейсеры, ведь чем короче время, тем меньше доза облучения.

Специалисты из московского Физтеха совместно с коллегами из Университета финского города Аальто и Технологического училища Цюриха продемонстрировали прототип устройства, использующего квантовые эффекты машинного обучения для более точного измерения магнитных полей. Исследователи предложили теорию, согласно которой повышение чувствительности вдвое требует увеличения времени исследования тоже только вдвое!

Для этого ученые предлагают использовать сверхпроводящий кубит, в роли которого выступает атом водорода в двух состояниях – обычном и возбужденном. Оба состояния как бы наложены друг на друга, то есть находятся в суперпозиции.

В Физтехе создали искусственный атом из сверхтонких лепестков алюминиевой фольги на поверхности кремниевого чипа, помещенного в сверхмощный холодильник. Температура в нем близка к абсолютному нулю. А далее включается «микроволновка», то есть посылается микроволновый импульс, вводящий два состояния, каждое из которых имеет вероятность 50%, в сбалансированную суперпозицию. Кубиты при температуре сверхпроводимости отличаются повышенной чувствительностью к внешним магнитным полям, четко улавливаемым кубитом в возбужденном состоянии. Оно замеряется в серии идентичных экспериментов и значимо превосходит упомянутый СКЛ.

Четыре спиновых кубита. Иллюстрация Physorg

Немецкие физики из Университета Кобленца еще в декабре 2017 года презентовали устройство, использующее наноэлектроды для контроля двух электронных спинов в кремнии. Спин – это магнитное «круговерчение» элементарной частицы, например электрона, вокруг своей оси. Третий электрод при этом координировал взаимодействие обоих электронов. Спустя год в том же Кобленце придумали теорию защиты кубита из четырех электронов, помещенного в полупроводниковую среду. Защита от электрического и магнитного шума пока лишь кратковременная, но даже небольшого времени хватает на осуществление многих тысяч компьютерных операций.

В теории спины удобны для будущих квантовых компьютеров, но их трудно контролировать с помощью магнитных полей (уж очень слабы они как магниты). Поэтому речь идет о возможности использования привычного электричества, несмотря на чувствительность спинов к внешним шумам. Теория немецких ученых была проверена в Принстоне, где продолжительность защиты достигла долей секунды.

Эта работа имеет большое значение для фундаментальных исследований, направленных на создание квантовых компьютеров. Их элементы будут чрезвычайно малы, примером чего может служить гироскоп длиной 0,25 мм, умещающийся на рисовом зерне. В приложении к журналу Nature описана беспроводная резонансная цепь, предназначенная для регистрации биологических электромагнитных полей непосредственно в мозге. Речь идет о небольших устройствах, имплантируемых в мозг и реагирующих на электрические и световые сигналы, например свечение генетически одифицированных нейронов. В другом приложении (Scientific Reports) рассказано об использовании квантовых точек для выявления разрывов обеих цепей ДНК, ведущих к разным заболеваниям.

Криостат на 50 кубитов. Иллюстрация Physorg

Дело в том, что искусственные сети имитируют поведение связанных друг с другом нейронов. Их преимущество по сравнению с другими стратегиями по коррекции ошибок заключается в применении таких сетей в квантовых компьютерах. Квантовое исправление ошибок авторы уподобляют игре в го. Но есть и отличие. Вспомогательные кубиты выявляют дефекты в структуре квантового компьютера, в то время как предыдущая нейронная сеть использует свое «знание» для тренинга новой. В результате обучающаяся сеть может превзойти своего учителя.