Reservoir computing with quantum memristors

Abstract

[eng] In this master’s thesis, a quantum photonic reservoir computing framework was developed by adapting the photonic quantum memristor design from Michele Spagnolo et al. [1]. The design we propose improves memory and nonlinear dynamics by incorporating an additional optical mode and employing dual-rail encoding to introduce the injection of previous outputs. Starting with single memristors, the system is scaled through spatial multiplexing with random masks and varying configurations for each unit. This approach enhances short-term memory, leading to better accuracy for nonlinear tasks such as forecasting the Lorenz system. Simulations indicate that the system achieves high accuracy with fewer training data points compared to traditional methods. Future work should address the linear scaling limitation of independent units by designing photonic systems that exploit the exponential growth of quantum internal degrees of freedom.

[spa] En esta tesis de máster, se desarrolló un marco de computación de reservorio fotónico cuántico mediante la modificación del diseño del memristor cuántico fotónico de Michele Spagnolo et al. [1]. El diseño que proponemos mejora la memoria y la dinámica no lineal al incorporar un modo óptico adicional y utilizar la codificación de doble riel para añadir para introducir la inyección de salidas anteriores. Comenzando con memristores individuales, el sistema se escala utilizando unidades independientes usando máscaras aleatorias y diferentes configuraciones para cada uno. Esto aumenta la memoria, mejorando la precisión para tareas no lineales como la predicción del sistema de Lorenz. Las simulaciones numéricas muestran que el sistema alcanza alta precisión con menos puntos de entrenamiento en comparación con enfoques tradicionales. Futuras investigaciones deben superar la limitación de escalado lineal aprovechando el crecimiento exponencial de los grados de libertad cuánticos.

[cat] En aquesta tesi de màster, es va desenvolupar un marc de computació de dipòsit fotònic quàntic mitjançant la modificació del disseny del memristor fotònic quàntic de Michele Spagnolo et al. [1]. El disseny proposat millora la memòria i la dinàmica no lineal en incorporar un mode òptic addicional i emprar codificació de doble carril per introduir la injecció de sortides anteriors. Començant amb memristors individuals, el sistema es fa escalar utilitzant unitats independents amb màscares aleatòries i diferents configuracions per a cadascun d’ells. Aquest enfocament augmenta la memòria a curt termini, resultant en una major precisió per a tasques no lineals com la previsió del sistema de Lorenz. Les simulacions numèriques mostren que el sistema aconsegueix una alta precisió amb menys punts d’entrenament en comparació amb els enfocaments tradicionals. El treball futur hauria d’afrontar la limitació d’escalat lineal de les unitats independents mitjançant el disseny de sistemes fotònics que aprofitin el creixement exponencial dels graus de llibertat interns quàntics.