Investigadors de l’IFISC plantegen un nou protocol per al processament de dades amb «Quantum Reservoir Computing»

Investigadors de l’IFISC (UIB-CSIC) han proposat un nou protocol per processar dades seqüencials mitjançant l'aprenentatge automàtic quàntic.

L'estudi proposa una manera d'incloure eficientment la mesura quàntica alhora que preserva l'avantatge quàntic que caracteritza aquests sistemes.

Investigadors de l'Institut de Física Interdisciplinària i Sistemes Complexos, IFISC (UIB-CSIC), a Mallorca, plantegen el primer protocol que inclou l'efecte de la mesura en el processament de seqüències de dades temporals mitjançant sistemes quàntics. Exemples d'aquestes tasques són el reconeixement d'escriptura o la predicció de sèries caòtiques. L'avantatge d'utilitzar sistemes quàntics per a aquestes finalitats radica en la gran capacitat de processament que proporciona l'espai de Hilbert dels estats quàntics, un avantatge exponencial respecte dels sistemes clàssics. A més, ara s'ha demostrat que aquest avantatge es pot aconseguir fins i tot en situacions no ideals, on es té en compte l'efecte de la mesura quàntica.

La implementació del quantum reservoir computing com a mètode de computació per processar dades de sèries temporals té molt potencial, però s'enfronta a diversos reptes. Un d'aquests, comú a tota la computació quàntica, és que, pel seu caràcter estocàstic, és necessari que es repeteixi el processament de la informació diverses vegades i es calculin mitjanes amb els resultats obtinguts per millorar-ne la precisió. L'altre problema radica en el fet que els sistemes quàntics es veuen fortament afectats per les mesures, és a dir, el procés d'obtenir la informació processada. En una implementació de quantum reservoir computing això és especialment rellevant, ja que pot perjudicar la qualitat del processament a temps diferents. Per evitar que els passos següents quedin afectats per les mesures passades, s'hauria de reiniciar l'experiment reintroduint les dades al sistema des del principi, cosa clarament ineficient. A més, seria necessari emmagatzemar les dades en una memòria externa. Els investigadors han analitzat diferents protocols per al processament de sèries temporals, inclòs el protocol de rewinding (rebobinatge) i el de restarting (reinici), i han proposat una alternativa basada en mesures dèbils que permet monitorar de manera contínua les dades, en línia, sense emmagatzemar-les externament, que opera en temps real.

Aquest protocol en línia plantejat pels investigadors, presentat a la revista npj Quantum Information, introdueix l'efecte de la mesura en el processament d'informació. Típicament, les mesures febles proporcionen menys informació i són més sorolloses, però amb aquesta manera d'obtenir els resultats del processament, el sistema quàntic no «col·lapsa» íntegrament, i això permet identificar situacions en les quals s'aconsegueix un processament de dades efectiu tant en precisió com en recursos.

L'estudi estableix l'avantatge dels reservoris quàntics en escenaris realistes i s'espera que faciliti el camí a implementacions experimentals eficients que involucrin el processament continu de sèries temporals amb sistemes quàntics. A més, aquesta investigació també pot contribuir al desenvolupament d'aplicacions concretes com la tomografia temporal quàntica, xarxes neuronals recurrents quàntiques o computació neuromòrfica quàntica, entre altres avenços. 

Data de publicació: 17/03/2023