الحوسبة العشوائية القابلة لإعادة التكوين المحسّنة بالكم داخل الذاكرة

لماذا هذا النوع الجديد من الحواسيب مهم

الحياة الحديثة تعتمد على البيانات، من الفيديو حسب الطلب إلى تدريب الذكاء الاصطناعي. ومع ذلك، تضيع الحواسيب الحالية وقتًا وطاقة في نقل المعلومات ذهابًا وإيابًا بين المعالج والذاكرة. تعرض هذه الورقة نهجًا مختلفًا جذريًا: أنبوب صغير من ذرات دافئة يمكنه كلٌّ من تخزين المعلومات وأداء الحسابات باستخدام قواعد غريبة للفيزياء الكمومية. والنتيجة هي نوع جديد من الحوسبة «داخل الذاكرة» الذي يناسب بطبيعته المهام المتوازية على نطاق واسع، ويمكنه تسريع عمليات معينة، ويجعل نتيجة الحساب مخفية جزئيًا عن المتطفلين.

طريقة مختلفة للتفكير بالأعداد

بدلاً من تمثيل الأعداد كأرقام ثابتة في الدوائر الإلكترونية، يستخدم المؤلفون الصدفة نفسها كمادة خام للحوسبة. يعتمد نظامهم على «الحوسبة العشوائية»، حيث تُشفر الأعداد في احتمال حدوث أحداث عشوائية. في هذه الحالة، الأحداث هي جسيمات ضوئية مفردة — الفوتونات — المنبعثة من ذاكرة كمومية. الذاكرة الكمومية هي خليه زجاجية مملوءة بمليارات ذرات السيزيوم عند درجة حرارة الغرفة، ومحاطة بدرع مغناطيسي. تتفاعل نبضات ليزر مشكّلة بعناية مع هذه الذرات، مما يدفعها لإصدار فوتونات بطريقة محكومة لكنها عشوائية. من خلال عد مدى تكرار ظهور الفوتونات، يمكن للجهاز تنفيذ عمليات رياضية أساسية.

كيف يتحول سحابة من الذرات إلى حاسبة

التجهيز مقسوم إلى وحدة واجهة، ووحدة داخل الذاكرة، ومجمّع (Accumulator). تقوم وحدة الواجهة أولاً بترجمة مهمة المستخدم — مثل جمع أو ضرب أعداد — إلى نمط محدد من نبضات الليزر. تدخل هذه «نبضات العنونة» إلى الخلية الذرية، حيث تقوم إما بتحضير الذرات، أو كتابة معلوماتٍ فيها، أو قراءة معلوماتٍ منها. في هذه العملية، تصدر الذرات نوعين من الفوتونات، المعروفين بفوتونات ستوكس ومضادة ستوكس، إلى جانب تنشيطات دورانية مخفية داخل سحابة الذرات. يرتبط احتمال ظهور فوتون في كل فتحة زمنية مباشرةً بالأعداد المعالجة. بعد خروجها من الذاكرة، تصطدم الفوتونات بكواشف فوتون مفرد، وتُحصى أعدادها بواسطة المجمّع وفق قواعد بسيطة مختارة لكل مهمة.

تحويل الومضات العشوائية إلى جمع وضرب

يُنفَّذ الجمع عبر إرسال نبضات «كتابة» متكررة يمكن أن تولّد فوتونات ستوكس باحتمال معين. كل اكتشاف ناجح يضيف وحدة واحدة إلى المجموع الجاري. على مدى تجارب عديدة، يعكس متوسط عدد الفوتونات المحتسبة مجموع المدخلات المشفرة. يستفيد الضرب من الارتباطات الكمومية: يمكن لنبضة كتابة أن تُنتج فوتون ستوكس مع تنشيط ذري مخزن، ويمكن لنبضة «قراءة» لاحقة أن تحول ذلك التنشيط إلى فوتون مضاد ستوكس. عندما يُكتشف كلا الفوتونين معًا بتوافق زمني، يتوافق احتمال ظهورهما المشترك مع حاصل ضرب عددين. يُشفّر العدد الأول في مدى احتمال ظهور فوتون ستوكس، ويُشفّر العدد الثاني في كفاءة تحويل التنشيط المخزن إلى فوتون مضاد ستوكس. عبر تصميم تسلسلات من النبضات، يستطيع النظام التعامل ليس مع عمليات جمع وضرب منفردة فحسب بل أيضًا مع عمليات متوازية مثل ضرب متجهات.

تسريع عبر الروابط الكمومية وإخفاء النتيجة

ميزة مركزية لهذا النهج تنبع من الارتباطات غير الكلاسيكية بين الفوتونات. عندما تكون فوتونات ستوكس ومضاد ستوكس مرتبطة فعليًا عبر التنشيط الذري المشترك، يمكن أن يكون معدل التوافق الزمني بينهما أعلى بعدة أضعاف مما يُتوقع من فوتونات عشوائية غير مترابطة. هذا يعزّز فعليًا سرعة الضرب دون زيادة طاقة النبضات، لأن النظام يصل إلى عدد هدف من أحداث التوافق في تجارب أقل. في الوقت نفسه، توفر عشوائية توليد الفوتونات شكلاً غير اعتيادي من الأمن. إذا كان المتنصت يراقب فقط جزءًا صغيرًا من أحداث الكشف، فإن التشتت الإحصائي الواسع لعدد التجارب يمنعه من استنتاج النتيجة العددية النهائية بشكل موثوق. بهذه الطريقة، تظل عملية الحساب نفسها — وليس قناة الاتصال وحدها — مخفية أثناء المعالجة.

الاستفادة من ذاكرة كمومية غير مثالية

الذاكرة الكمومية المستخدمة هنا بعيدة عن المثالية وفق معايير شبكات الكم لمسافات طويلة: تُقرأ نسبة صغيرة فقط من التنشيطات المخزنة بنجاح. ومع ذلك، يُظهر المؤلفون أن هذا الجهاز «غير المثالي» أكثر من كافٍ للحوسبة العشوائية المحسّنة بالكم داخل الذاكرة، طالما أن أزواج الفوتونات المترابطة تحدث بتواتر أعلى من الأزواج العرضية. ويشيرون إلى أن مثل هذه الذواكر، التي هي ممكنة بالفعل بالتكنولوجيا الحالية، يمكن أن تكون أساسًا لوحدات حسابية آمنة ومتوازية على نطاق واسع مدمجة مع رقاقات ضوئية. ببساطة، توضح الدراسة أن حتى ذاكرة كمومية صاخبة ومنخفضة الكفاءة يمكن أن تعمل كحاسبة قوية تعمل بعدّ ومضات الضوء — مما يقدم مسارًا جديدًا نحو عتاد حوسبة مستقبلي أسرع وأكثر كفاءة في الطاقة وطبيعيًا خاص.

الاستشهاد: Yang, HZ., Dou, JP., Lu, F. et al. Quantum-enhanced reconfigurable in-memory stochastic computing. Light Sci Appl 15, 178 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02181-6

الكلمات المفتاحية: حوسبة الذاكرة الكمومية, الحوسبة العشوائية, معالجة الفوتون المفرد, بنية داخل الذاكرة, الحوسبة الكمومية الآمنة