Одиночные фотоны могут помочь в принятии сложных решений

14 января 2016 г., 13:05

Команда исследователей из Франции и Японии сделала первый в мире блок принятия решений на основе одиночных фотонов, продуцируемых центрами азотных вакансий в наноалмазах. Для принятия сложных решений устройство опирается на законы квантовой механики, а не на алгоритмы, и может использоваться в новом виде "фотонного интеллекта".

Мы все принимаем сотни решений в нашей повседневной жизни, от самых тривиальных до наиболее важных.

Есть много компьютерных алгоритмов, которые помогают принимать такие решения, к примеру "softmax", "верхние доверительные границы" и "перетягивание каната" (TOW). Все они разработаны с использованием вероятностных механизмов для решения так называемой проблемы компромисса в дилемме разведки-разработки в принятии решений.

Теперь команда во главе с Сержем Уан (Serge Huant) из Института Нееля в Гренобле и Макото Нарусэ (Makoto Naruse) из Национального института информационных и коммуникационных технологий в Токио предлагает совершенно другой способ решения дилеммы разведка-разработка – с помощью законов квантовой механики, которые сами по себе имеют вероятностный характер.

Новое устройство принятия решений опирается на одиночные фотоны, излучаемые центром азотной вакансии в нанокристалле алмаза размером 25 нм, который является ярким и очень стабильным источником света. Исследователи использовали свое устройство для выбора между двумя игровыми автоматами «однорукий бандит».

Без устройства принятия решений посетитель будет играть на обеих машинах по очереди и считать, сколько раз он или она выигрывает на каждой из них. Как только игрок узнает, какая машина выплачивает чаще, он или она начинает чаще выбирают эту машину.

Однофотонное устройство принятия решений может делать это автоматически, объясняют ученые: «Мы начинаем наш эксперимент с подачи одиночных фотонов от центра излучения в модифицированный интерферометр Хэнбери-Брауна и Твисса. Это стандартная установка в квантовой оптике, которая включает управляемый компьютером регулятор поляризации и полуволновую пластинку, а также обязательный расщепитель пучка фотонов. В нашем случае пучок состоит из одного поляризованного фотона».

Когда расщепитель расположен под углом 45 °, каждый фотон имеет вероятность 50% быть горизонтально или вертикально поляризованным. Когда исследователи поворачивают фильтр больше к вертикали, фотоны с большей вероятностью будут иметь вертикальную поляризацию и с меньшей вероятностью горизонтальную. Противоположный эффект проявляется при повороте фильтра ближе к горизонтальному положению.

Команда использует поляризацию фотонов для "выбора" между двумя игровыми автоматами. Например, обнаружение вертикально поляризованного фотона означает, что они выбирают первую машину, в противном случае они выбирают вторую.

Этот процесс принятия решений создает петлю обратной связи, которая автоматически изменяет ориентацию поляризационного фильтра после каждой попытки. Например, если первая машина выплачивает, то фильтр поворачивается ближе к вертикали, так что эта машина с большей вероятностью будет выбрана в будущем. С другой стороны, если вторая машина выплачивает, фильтр перемещается к горизонтальному положению, что делает эту машину одним из выборов в следующий раз.

«Мы имеем здесь механизм типа "перетягивание каната" в том смысле, что наблюдение одиночного фотона для одного из игровых автоматов может быть непосредственно связано с выбором этой "машины-победителя", а не другой, "проигравшей", - сказал Мартин Бертел (Martin Berthel) из Института Нееля, участник разработки. - Дилемма разведки-разработки уже не дилемма, и разработка уже (почти) не требует разведки и становится простой».

Такая возможность принятия решений явно недостижима с помощью лазерного пучка или даже с помощью двухфотонного источника, поскольку обнаружение одного фотона одновременно в каждом канале делает решение невозможным, что приводит к ошибке, добавил Нарусэ.

«Наши результаты предполагают, что эффективное принятие решений на основе одиночных фотонов может стать реальностью в будущем и, возможно, повлиять на широкий спектр информационных и коммуникационных технологий, - сказал член команды Орельен Дрезе (Aurélien Drezet) из Института Нееля. - Это потому, что проблема "многоруких бандитов" лежит фактически в основе многих важных приложений, в том числе, например, присвоение частот в области беспроводной связи и в интернет-рекламе».

Одиночные фотоны могут помочь в принятии сложных решений