Импульсы, управляемые искусственным интеллектом, приручают квантовые системы

Легко контролировать траекторию баскетбольного мяча: все, что нам нужно сделать, это применить механическую силу в сочетании с человеческими навыками. Но управлять движением квантовых систем, таких как атомы и электроны, гораздо сложнее, поскольку эти крошечные клочки материи часто становятся жертвами возмущений, которые непредсказуемым образом сбивают их с пути. Движение внутри системы ухудшается — процесс, называемый демпфированием, — и шум от воздействий окружающей среды, таких как температура, также нарушает его траекторию.


Одним из способов противодействия затуханию и шуму является применение к квантовой системе стабилизирующих импульсов света или напряжения с флуктуирующей интенсивностью. Теперь исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) в Японии показали, что они могут использовать искусственный для обнаружения этих импульсов оптимизированным способом, чтобы соответствующим образом охладить микромеханический объект до его квантового состояния и управлять его движением. Их исследование было опубликовано в ноябре 2022 года в Исследование физического обзора как Письмо.

Микромеханические объекты, большие по сравнению с атомом или электроном, ведут себя классически при высокой температуре или даже при комнатной температуре. Однако если такие механические режимы можно охладить до их самого низкого энергетического состояния, которое физики называют основным состоянием, в таких системах может быть реализовано квантовое поведение. Затем эти виды механических режимов можно использовать в качестве сверхчувствительных датчиков силы, смещения, гравитационного ускорения и т. д., а также для квантовой обработки информации и вычислений.

«Технологии, основанные на квантовых системах, открывают огромные возможности», — сказал доктор Биджита Сарма, ведущий автор статьи и научный сотрудник отдела квантовых машин OIST в лаборатории профессора Джейсона Твэмли. «Но чтобы извлечь выгоду из их обещаний сверхточной конструкции датчиков, высокоскоростной обработки квантовой информации и квантовых вычислений, мы должны научиться разрабатывать способы достижения быстрого охлаждения и управления этими системами».

Метод, основанный на машинном обучении, который она и ее коллеги разработали, демонстрирует, как искусственные контроллеры могут использоваться для обнаружения неинтуитивных интеллектуальных последовательностей импульсов, которые могут охлаждать механический объект от высоких до сверхнизких температур быстрее, чем другие стандартные методы. Эти управляющие импульсы обнаруживаются агентом машинного обучения самостоятельно. Работа демонстрирует полезность искусственного машинного интеллекта в развитии квантовых технологий.

Квантовые вычисления могут произвести революцию в мире, обеспечив высокую скорость вычислений и переформатировав криптографические методы. Вот почему многие научно-исследовательские институты и крупные технологические компании, такие как Google и IBM, вкладывают много ресурсов в разработку таких технологий. Но для этого исследователи должны добиться полного контроля над работой таких квантовых систем на очень высокой скорости, чтобы можно было устранить эффекты шума и демпфирования.

«Чтобы стабилизировать квантовую систему, управляющие импульсы должны быть быстрыми — и наши контроллеры искусственного интеллекта обещают достичь такого подвига», — сказал доктор Сарма. «Таким образом, предлагаемый нами метод квантового управления с использованием ИИ-контроллера может обеспечить прорыв в области высокоскоростных квантовых вычислений и может стать первым шагом к созданию квантовых машин, способных самостоятельно управлять, подобно самоуправляемым автомобилям. Мы надеемся, что такие методы привлекут многих квантовых исследователей для будущих технологических разработок».