Свет вместо нейронов: в фотонных чипах обнаружен механизм, похожий на работу нейросетей

Международная группа учёных обнаружила неожиданную связь между квантовой физикой и теоретическими моделями искусственного интеллекта. В работе, выполненной при участии Института нанотехнологий Национального исследовательского совета Италии показано, что фотоны в оптических схемах могут вести себя как элементы нейросети. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Авторы выяснили, что одинаковые фотоны, распространяющиеся в интегрированных фотонных цепях, спонтанно формируют структуру, аналогичную сети Хопфилда — одной из базовых математических моделей ассоциативной памяти, используемой в теории работы мозга и искусственных нейросетей.

«Вместо традиционных электронных чипов мы использовали квантовую интерференцию — эффект, возникающий, когда световые частицы накладываются и взаимодейству ют друг с другом», — объясняет руководитель работы Марко Леонетти (Marco Leonetti). По его словам, в такой системе фотоны перестают быть просто носителями данных и сами становятся «нейронами памяти» .

Квантовая интерференция — это явление, при котором волновые функции фотонов складываются и взаимно усиливаются или ослабляются. Благодаря этому в фотонном чипе возникают устойчивые схемы взаимодействий, позволяющие системе «запоминать» и восстанавливать информацию по частичным или искажённым сигналам — так же, как это делает ассоциативная память в мозге.

Исследование также выявило фундаментальный предел объёма информации, который может хранить такая система. «При небольшом объёме данных квантовая когерентность позволяет корректно восстанавливать память, — отмечает первы й автор работы Дженнаро Дзянфардино (Gennaro Zanfardino) из Университета Саленто (University of Salento). — Но при росте информации возникает переход к состоянию беспорядка, при котором система теряет способность к восстановлению».

Это состояние описывается понятием «спиновое стекло» — особый тип неупорядоченной физической системы, где взаимодействия между элементами становятся хаотичными. В таком режиме память фактически «гаснет», и извлечение данных становится невозможным.

По словам соавтора исследования  Луки Леуцци (Luca Leuzzi), результаты открывают новые перспективы для фотонных технологий в искусственном интеллекте. Подобные устройства потенциально могут обеспечивать высокую вычислительную производительность при значительно меньшем энергопотреблении по сравнению с современными дата-центрами.

Значение работы выходит за рамки ИИ. Созданная фотонная платформа позволяет моделировать сложные и неупорядоченные физические системы, которые трудно изучать на обычных компьютерах. Это направление связано с исследованиями спиновых стёкол, за которые соавтор Джорджо Паризи (Giorgio Parisi) получил Нобелевскую премию по физике в 2021 году.

«Мы показали, что законы беспорядка, известные в классической физике, прояв ляются и в квантовых фотонных схемах», — подытоживает директор Cnr-Nanotec Фабрицио Иллюминати (Fabrizio Illuminati). По его словам, «  свет в таких системах превращается в  миниатюрную лабораторию», позволяющую изучать процессы, лежащие в основе как природн ых,  т ак и искусственных сетей — от биологии до климатических моделей.

В перспективе подобные исследования могут стать основой для создания энергоэффективных квантово-фотонных вычислительных систем, в которых хранение и обработка информации будут происходить непосредственно на уровне физических взаимодействий свет а.

 Источник: Physical Review Letters