Международная группа исследователей, включая специалистов из Института нанотехнологий Национального исследовательского совета Италии, выявила неочевидную взаимосвязь между принципами квантовой физики и архитектурой теоретических моделей искусственного интеллекта. В их публикации в журнале Physical Review Letters представлены данные, демонстрирующие возможность поведения фотонов в оптических системах как функциональных элементов нейронных сетей.
Оптоэлектронные нейросети и эффект Хопфилда
Специалисты установили, что идентичные фотоны, проходящие через интегрированные фотонные цепи, самопроизвольно организуются в структуру, напоминающую сеть Хопфилда. Эта сеть является фундаментальной математической моделью ассоциативной памяти, активно применяемой как в нейробиологии для описания работы мозга, так и в разработке искусственных нейронных сетей.
Руководитель проекта, Марко Леонетти, отмечает, что вместо типовых электронных компонентов в исследовании задействовалась квантовая интерференция. Этот эффект возникает при взаимном наложении и взаимодействии световых частиц. В такой конфигурации фотоны перестают быть лишь носителями информации, приобретая функции "нейронов памяти" внутри системы.
Квантовая интерференция и ассоциативная память
Квантовая интерференция представляет собой явление, при котором волновые функции фотонов либо усиливают, либо ослабляют друг друга. Этот процесс способствует формированию стабильных паттернов взаимодействия внутри фотонного чипа, что позволяет системе осуществлять функции "запоминания" и восстановления данных даже при частичном или искаженном входном сигнале. Данный механизм аналогичен принципам работы ассоциативной памяти в биологическом мозге.
Пределы информационной ёмкости
В ходе исследования также был определён фундаментальный предел информационной ёмкости для подобных систем. Дженнаро Дзянфардино из Университета Саленто, один из авторов работы, пояснил, что до определённого объёма данных квантовая когерентность обеспечивает точное воспроизведение памяти. Однако при превышении этого порога система переходит в состояние хаоса, утрачивая способность к надёжному восстановлению информации.
Это состояние характеризуется понятием "спинового стекла" — особой формы неупорядоченной физической системы, где взаимодействия между элементами становятся нерегулярными. В этом режиме память фактически исчезает, и извлечение данных становится технически невозможным.
Перспективы и применение
По мнению Луки Леуцци, соавтора исследования, эти результаты открывают новые горизонты для развития фотонных технологий в сфере искусственного интеллекта. Устройства, основанные на таких принципах, потенциально могут обеспечить значительно более высокую вычислительную производительность при существенно сниженном энергопотреблении по сравнению с существующими решениями в современных дата-центрах.
Значимость данного исследования распространяется и за пределы области ИИ. Разработанная фотонная платформа предоставляет возможность моделирования сложных, неупорядоченных физических систем, исследование которых традиционными компьютерными методами сопряжено с трудностями. Это направление коррелирует с исследованиями спиновых стёкол, за которые Джорджо Паризи, ещё один соавтор, был удостоен Нобелевской премии по физике в 2021 году.
Фабрицио Иллюминати, директор Cnr-Nanotec, резюмирует, что законы неупорядоченности, известные в классической физике, также проявляются в квантовых фотонных системах. Он отмечает, что "свет в таких системах трансформируется в миниатюрную лабораторию", предоставляющую инструментарий для изучения процессов, лежащих в основе как природных, так и искусственных сетей — от биологических систем до климатического моделирования.
В долгосрочной перспективе такие исследования могут заложить фундамент для создания энергоэффективных квантово-фотонных вычислительных комплексов, где процессы хранения и обработки информации будут реализованы непосредственно на уровне физических взаимодействий света.