Memristor quantique : une unité de calcul dépendante de la mémoire

L’informatique quantique a fait des pas de géant ces dernières années. En effet, une fois que les grandes entreprises technologiques comme IBM, Microsoft et Google ont commencé à s’y intéresser, j’ai en quelque sorte cessé de suivre. Néanmoins, la recherche sur les éléments de base de l’informatique quantique se poursuit et est, pour moi, plus intéressante que les réalisations d’ingénierie des laboratoires commerciaux (qui sont encore absolument nécessaires).

Conformément à mes intérêts, un groupe de chercheurs a récemment démontré le premier memristor quantique. Cela peut être une étape critique pour amener un type de réseau neuronal hautement efficace dans le monde de l’informatique quantique sans un grand nombre de connexions quantiques.

Memristors et ajout du quantum

Le concept du memristor remonte aux années 1970, mais, pendant longtemps, il est resté comme une chaussette sous votre machine à laver : oublié et incontournable. L’idée essentielle est que le courant qui traverse un memristor ne dépend pas seulement de la tension appliquée aux bornes mais aussi de la l’histoire de la tension appliquée. Les implémentations physiques des memristors sont très prometteuses pour le calcul à faible consommation d’énergie, car elles peuvent être utilisées pour créer une mémoire économe en énergie.

Un memristor quantique, lorsqu’il est considéré à la lumière des informations quantiques, est légèrement plus compliqué. Un qubit, qui stocke un seul bit d’information quantique dans son état quantique, n’a pas nécessairement une valeur de bit bien définie. Au lieu d’être un un logique ou un zéro logique, il peut être dans un état de superposition quantique. La valeur du qubit n’est connue que lorsque nous la mesurons – une mesure révèle toujours un un ou un zéro. Le probabilité d’obtenir un un (ou zéro) logique est gouverné par les propriétés de la superposition quantique.

Le travail d’un ordinateur quantique est de modifier doucement ces probabilités par des interactions avec d’autres états de superposition quantique jusqu’à ce que les résultats soient lus.

Maintenant, considérons un memristor dans ce schéma. Un memristor devrait modifier l’état quantique d’un qubit en fonction de la valeur des qubits précédents. Cela signifie deux choses. Premièrement, le memristor doit préserver les propriétés quantiques d’un qubit (sinon aucune autre opération ne peut être effectuée). Deuxièmement, pour définir son propre état interne, le memristor doit mesurer un qubit, ce qui efface ses propriétés. Dans un certain sens, cela signifie que le memristor quantique parfait ne peut pas exister (pour référence, il y a des théoriciens qui sont offensés par l’idée du memristor classique, donc ce n’est pas un nouveau territoire).

Diviser la différence

Sans se laisser décourager par cette contradiction, les chercheurs ont quand même réussi à créer un memristor quantique. Commençons par le cœur de l’idée. Imaginez que vous avez un miroir imparfait. Si vous visez le miroir avec un seul photon de lumière, le photon se reflétera sur le miroir ou sera transmis, avec une probabilité qui dépend de la façon dont le miroir est réfléchissant. Disons que vous comptez les photons transmis et que vous utilisez ce nombre pour modifier la réflectivité du miroir. Cela crée effectivement un memristor – mais pas un memristor quantique.

Pour ajouter du bonheur quantique, nous devons modifier légèrement l’expérience. Nous remplaçons la source lumineuse par une autre qui envoie des paquets qui contiennent soit un seul photon, soit aucun photon (un état de superposition d’un ou de zéro photon). Les paquets qui sont réfléchis par le miroir conservent leur état de superposition et peuvent être utilisés pour des calculs futurs, tandis que ceux qui sont transmis sont mesurés pour modifier la réflectivité du miroir. Nous avons maintenant un memristor quantique complet : la probabilité qu’un futur qubit soit réfléchi par le miroir est modifiée par la courant état de qubit.

La mise en œuvre de cela dans la pratique est un peu plus complexe et les chercheurs ont utilisé des propriétés de photons différentes du simple nombre de photons. Cependant, le comportement (et le modèle mathématique) sont les mêmes et le memristor quantique a fonctionné comme prévu.

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