La Graduate School of Information Science (GSIS) de l'Université Tohoku, ainsi que le laboratoire de physique et d'informatique (PHI) chez NTT Research, Inc., ont publié conjointement un article dans la revue dans la revue Science et technologie quantique. L'étude a consisté à étudier un problème de clustering combinatoire, une tâche représentative de l'apprentissage automatique non supervisé.
Ensemble, les deux institutions recherchent des méthodes pour donner vie à une plate-forme de simulation CIM à grande échelle en utilisant l'informatique conventionnelle haute performance (HPC). Ce CIM à grande échelle sera essentiel pour permettre des cyber-CIM qui seront largement accessibles pour résoudre des problèmes NP, NP-complete et NP.
La collaboration a débuté en 2023 avec Hiroaki Kobayashi, professeur au GSIS de l'Université de Tohoku, agissant en tant qu'enquêteur principal de l'accord de recherche conjoint (JRA), avec le directeur de PHI Lab Yoshihisa Yamamoto se joignant à la contrepartie de la recherche NTT à Kobayashi.
Dans le cadre de la JRA, l'Université Tohoku recherchera des méthodes pour optimiser le cyber-CIM de troisième génération à l'aide de plateformes HPC. À la suite de cette recherche, l'Université Tohoku examinera la vectorisation et la parallélisation des noyaux en tant qu'accélérateurs et envisagera l'optimisation de la gestion des données dans la hiérarchie de la mémoire du cache, ainsi que des moyens d'étendre le cyber-CIM à 100 millions de tours avec une connexion clairsemée sur une plate-forme appropriée.
« La collaboration de NTT Research avec GSIS à l'Université de Tohoku débloquera les accélérateurs d'apprentissage automatique économes et optimisés », a déclaré Yamamoto, directeur du laboratoire de PHI chez NTT Research.
« En combinant le formalisme optique quantique et une plate-forme électronique numérique, notre travail avec l'université de Tohoku nous rapproche un peu plus pour donner vie à un simulateur CIM à grande échelle, permettant des simulateurs de cyber-CIM qui offrent aux utilisateurs un moyen accessible et efficace de résoudre des équations différentielles stochastiques qui décrivent un réseau de dopo avec un circuit de mesure quantique et de rétroaction. »
La mission du JRA est essentielle à la mission du PHI Lab d'utiliser des technologies optiques quantiques non linéaires pour construire des machines informatiques simples, efficaces et pratiques pour des problèmes du monde réel en repensant les ordinateurs hybrides analogiques / numériques en utilisant les principes fondamentaux de la physique quantique et des neurosciences, en s'inspirant des ordinateurs biologiques présents à Brains.
Dans le cadre de cette mission, le laboratoire PHI s'appuie sur le CIM, qui est un réseau d'oscillateurs paramétriques optiques dégénérés programmés pour résoudre des problèmes d'optimisation combinatoire mappés sur un modèle ISING. Le modèle ISING est une abstraction mathématique de systèmes magnétiques composés de spins en interaction compétitive ou de moment angulaires de particules fondamentales.
Contrairement aux machines d'Ising cohérentes cohérentes conventionnelles et expérimentales (CIM) rapportées précédemment dans Science (1 et 2), un CIM nouvellement proposé utilise un nombre de photons moyen par impulsion aussi petit, qui est huit ordres de grandeur plus petit que le nombre de photons existant dans les CIM conventionnels.
Dans une limite de lumière aussi faible, les performances des CIM doivent être évaluées par la théorie quantique plutôt que par des modèles heuristiques classiques.
Le résultat d'une simulation numérique basée sur le modèle quantique a été inattendu, ce qui contraste fortement avec une image standard. Initialement, il a été émis l'hypothèse qu'un CIM avec un seul photon par impulsion souffre d'un mauvais rapport signal / bruit dans la mesure des amplitudes d'impulsion internes et des défis pour stocker les informations d'amplitude analogique de manière stable.
En vertu de cette hypothèse, la performance devrait être bien pire que le CIM conventionnel avec 108 Photons par impulsion.
Cependant, l'équipe de recherche a constaté que dans une simulation numérique, le résultat est le contraire complet. La figure 1 (ci-dessus) montre les probabilités de succès pour trouver des solutions exactes pour diverses instances par le photon unique CIM et le CIM conventionnel avec 108 Photons par impulsion. La figure indique que les performances du photon unique CIM sont bien meilleures que celles d'un CIM conventionnel.
La performance supérieure du photon unique CIM découvert par la collaboration provient d'un effet mécanique quantique. Dans un port de mesure du CIM, un séparateur de faisceau d'extraction génère une impulsion interne corrélée et une impulsion extraite à mesurer, c'est-à-dire que l'amplitude de l'impulsion extraite transporte des informations sur l'amplitude de l'impulsion interne.
Cette corrélation entre les impulsions internes et extraites pénètre dans un régime quantique malgré le bruit de fond, ce qui indique qu'il y a un enchevêtrement quantique entre ces deux impulsions dans le photon CIM unique.
Malgré la nature fragile de l'enchevêtrement quantique qui peut être facilement détruite par la perte optique et le bruit de fond, le CIM photon unique a pu convertir l'intrication quantique fragile en corrélations classiques robustes entre une impulsion mesurée et toutes les autres impulsions à travers sa mesure quantique et son processus de rétroaction.
La génération d'enchevêtrement quantique et sa conversion immédiate en corrélation classique sont essentielles pour comprendre les performances améliorées du CIM de photons uniques, qui est absente dans les CIM conventionnels qui exploitent de nombreux photons par impulsion.
Pour l'avenir, NTT Research continuera de collaborer avec GSIS à l'Université Tohoku pour progresser vers la mise en œuvre physique du CIM à photon unique, s'appuyant sur sa validation théorique et en développement de la cyber-CIM, un environnement de simulation à grande échelle.
Cet effort ouvrira la voie à des solutions rapides et économes en énergie aux problèmes industriels du monde réel.
