التحكم التجريبي في الذاكرة في حوسبة الخزانة الكمومية البصرية ذات المتغير المستمر

تعليم الضوء التنبؤ بالمستقبل

العديد من أصعب مشاكل اليوم، من توقعات الطقس إلى اتجاهات الأسواق المالية، تختزل إلى اكتشاف أنماط في بيانات تتكشف عبر الزمن. يصف هذا المقال طريقة لاستغلال الضوء الكمومي كنوع من الحاسوب التمثيلي الذي «يتذكر» الإشارات السابقة ويتعلم التنبؤ بما سيأتي بعد ذلك. من خلال تشكيل نبضات الليزر بعناية وقياس الحالات الكمومية الحساسة للضوء، يبني الباحثون نوعًا جديدًا من آلات التعلّم قد يعالج البيانات أسرع وأكثر كفاءة من الإلكترونيات التقليدية في المستقبل.

من الشبكات العصبية إلى عقول سائلة

غالبًا ما يعتمد التعلّم الآلي الحديث على الشبكات العصبية العميقة التي تتطلب تدريبًا دقيقًا عبر تعديل ملايين الوصلات الداخلية. تقدّم حوسبة الخزانة مسارًا أبسط: بدلاً من تدريب الشبكة كاملة، تترك نظامًا فيزيائيًا معقدًا يستجيب لتدفق من المدخلات وتدرّب طبقة إخراج بسيطة فقط لقراءة تلك الاستجابات. قد تكون «الخزانة» أي شيء يمتلك ديناميكيات داخلية غنية وذاكرة. في هذا العمل، الخزانة مصنوعة من الضوء نفسه. يوسّع الفريق حوسبة الخزانة إلى العالم الكمومي، حيث تتصرف حقول الضوء جماعيًا بطرق يمكن أن تكون شديدة الحساسية ومعبرة للغاية، مما يجعلها جذابة لمعالجة الإشارات المتغيرة زمنياً.

بناء حمام كمومي من الضوء

في صميم التجربة يوجد ليزر يرسل نبضات فائقة القصر إلى بلورة غير خطية ودليل موجي. بداخله، تتحول النبضة الواحدة إلى العديد من المكونات المرتبطة بإحكام في اللون والوقت، لتكوّن «حمامًا» متعدد الوضعيات من الضوء المقموع والمتشابك. يمكن اعتبار كل وضعية عقدة في شبكة، وتعمل الترابطات الكمومية كروابط بينها. عن طريق تشكيل الطيف والطور لنبضات الضخ التي تحفّز هذه العملية، يمكن للباحثين إعادة تكوين قوة الروابط بين الوضعيات. ثم يستخدمون تقنية قياس حساسة، تُدعى الكشف الهوموديني، لقراءة تراكيب مختارة من هذه الوضعيات، مما يتيح لهم اختيار كيفية عرض الحالة الداخلية للشبكة.

منح الضوء ذاكرة عاملة

لكي يتعامل جهاز تعلّم مع سلاسل زمنية، يجب أن يتذكر المدخلات الأخيرة بينما ينسى تدريجيًا الماضي البعيد. يدخل الفريق ذاكرة «متلاشية» قابلة للتحكم عن طريق تغذية نتائج القياس مرة أخرى إلى الإعداد البصري في الزمن الحقيقي. يضبط مُعدّل كهرضوئي طور كل نبضة ضخ جديدة استنادًا إلى الإشارة الحالية ومخرجات الخزانة السابقة. يوجّه هذا الارتجاع الشبكة الكمومية بلطف دون الحاجة إلى إعادة توصيلها. مع عدد قليل فقط من الكميات المقاسة لحقل الضوء، يُظهر النظام استجابة غير خطية وغنية لتحكم الطور، والتي يصفها المؤلفون ويعيدون تمثيلها بأمانة بنموذج رقمي مفصّل «توأم رقمي» للتجربة.

اختبار الخزانة الكمومية

يتحدى الباحثون خزانة الضوء بسلسلة من المهام التي تختبر اللاخطية والذاكرة. في أحد الاختبارات المعيارية، يجب أن يخرج النظام عملية الحصر الحصرية (XOR) للبت الحالي والبت السابق في تيار عشوائي، وهو اختبار كلاسيكي لا يمكن حله بواسطة جهاز خطي بسيط. باستخدام تحكم الطور والارتجاع، تصل الخزانة إلى حوالي 98 بالمئة دقة مع كمية متواضعة من بيانات التدريب. ثم يطلبون منها استرجاع مدخلات من عدة خطوات سابقة ويقيسون كيف تتلاشى الذاكرة مع التأخير، مظهرين أن الأداء يتحسن عند تشغيل نسخ متعددة من الخزانة بالتوازي. دفعًا للأبعد، يحاكون التنبؤ بإشارات فوضوية، مثل تلك المولّدة من دائرة إلكترونية ذات لولبين مزدوجين، مبينين أن المنصة الكمومية قادرة على تتبّع والتنبؤ بتذبذبات معقدة حتى بوجود ضوضاء واقعية.

فتح قوة العديد من الوضعيات

بعيدًا عن تحولات الطور البسيطة، يستكشف الفريق طريقة تحكم أقوى: تقسيم طيف الضخ إلى عدة مقاطع وضبط طور كل مقطع بشكل مستقل. تتيح هذه «الترميز العام» لأجزاء مختلفة من حقل الضوء حمل نسخ متباينة قليلاً من نفس المدخل، مما يثري نشاط الخزانة الداخلي بدرجة كبيرة. مع زيادة عدد الوضعيات البصرية المقاسة، يلاحظون أن قدرة التعبير للنظام تنمو وفق قانون مقياس رياضي ملائم، مما يعني أن كل وضعية جديدة تساهم بمعلومة جديدة حقيقية بدلًا من نسخ متكررة. بهذا الترميز الأكثر ثراءً، يمكن للخزانة المحاكاة أن تحل مهامًا أشد طلبًا، مثل فحص متوازنة تسلسل على فترات أطول وتنبؤ ديناميكيات فوضوية، دون الحاجة إلى العديد من النسخ الفيزيائية المنفصلة.

لماذا هذا مهم لآلات الكم المستقبلية

بالنسبة لغير المتخصص، الرسالة الأساسية هي أن المؤلفين أظهروا كيفية تزويد جهاز بصري كمومي بذاكرة عاملة قابلة للضبط لمعالجة البيانات المديدة، وكيفية التحكم بها باستخدام تكنولوجيا تعمل بدرجات حرارة الغرفة. منصتهم تنافس بالفعل الأنظمة التعليمية التقليدية في اختبارات معيارية مع استخدام تدريب بسيط وغير مكلف لطبقة الإخراج النهائية فقط. وبما أنها مبنية من مكونات متوافقة مع حواسيب ضوئية كمومية أكبر، فإن هذا النهج يوفر مسارًا عمليًا نحو آلات يؤدّي فيها ضوء متشابك وظيفة مزدوجة: تنفيذ منطق كمومي عام والقيام بتحليل سريع آني للإشارات المعتمدة على الزمن.

الاستشهاد: Paparelle, I., Henaff, J., García-Beni, J. et al. Experimental memory control in continuous-variable optical quantum reservoir computing. Nat. Photon. 20, 413–420 (2026). https://doi.org/10.1038/s41566-026-01880-9

الكلمات المفتاحية: حوسبة الخزانة الكمومية, التعلّم الآلي الضوئي, تنبؤ السلاسل الزمنية, بصريات كمومية بمتغيرات مستمرة, الفيون الوراثي الضوئي