الحوسبة العصبية الضوئية متعددة الأبعاد وقابلة لإعادة التكوين باستخدام مشابكات فوتونية كلية قائمة على البيروفسكايت

الضوء الذي يتعلم

تظل الحواسيب التي تشغّل الذكاء الاصطناعي الحديث تنقل بتات البيانات ذهابًا وإيابًا بين رقائق منفصلة للذاكرة والمعالجة، ما يهدر الوقت والطاقة. تستعرض هذه الدراسة نهجًا مختلفًا جذريًا: استخدام الضوء نفسه لحمل المعلومات وأداء عمليات شبيهة بالتعلّم الدماغي. بنى الباحثون «مشبكًا فوتونيًا كليًا»—عنصرًا صغيرًا يتم التحكم فيه بالضوء ويحتفظ بذاكرة لومضات الضوء السابقة—ثم أظهروا كيف أن مجموعات كبيرة من هذه العناصر يمكنها التعرّف على أنماط والتكيّف مع بيئات متغيرة دون إعادة توصيل الأجهزة ماديًا.

طبقة تتغير بالضوء والهواء

في صلب العمل توجد طبقة رقيقة مصنوعة من مادة بيروفسكايت شديدة الحساسية للضوء وللماء في الهواء. عندما يسقط فوق بنفسجي على الطبقة، تعيد بنيتها البلورية ترتيبها وتظلم، مما يحجب مقدارًا أكبر من الضوء المرئي؛ وعندما يُزال الضوء وتمتص المادة الرطوبة من البيئة، تعود ببطء إلى حالة أكثر شفافية. هذا التبدّل ذهابًا وإيابًا قابل للانعكاس تمامًا ومستقر عبر دورات عديدة وعلى مدى شهور من التخزين. وبما أن كمية الضوء المارة عبر الطبقة يمكن أن تتراوح من شبه شفافة إلى مائلة بشدة، فهي توفر نطاقًا واسعًا لترميز «أوزان» أو قوى مختلفة—مماثلة لقوى الاتصال المتغيرة بين الخلايا العصبية في الدماغ.

مشابك ضوئية تتذكّر

يتعامل الباحثون مع تغيّرات شفافية الطبقة باعتبارها ذاكرة بصرية. يمكن للومضات الضوئية المتعاقبة أن تعزّز استجابة الطبقة مؤقتًا، مقلّدةً كيف تقوى المشابك الحقيقية لفترة وجيزة عند وصول الإشارات بتتابع سريع. من خلال تغيير عدد النبضات الضوئية التي تضرب الطبقة، وتكرارها، وشدتها، يستطيع الفريق دفع الجهاز من ذكريات قصيرة الأمد تتلاشى بسرعة إلى ذكريات طويلة الأمد تدوم، مما يعكس تمييز الدماغ بين الذاكرة قصيرة وطويلة الأمد. كما يعمل مستوى الرطوبة المحيط كمقبض تحكم: فالهواء الأكثر جفافًا يبطئ استعادة المادة، مما يطيل مدة احتفاظ «الذاكرة» بوميضة ضوئية، بينما تسرّع الظروف الأكثر رطوبة عملية النسيان.

قراءة عدة دلائل من جهاز واحد

بما أن استجابة الطبقة تعتمد على عدة عوامل في آن واحد—قوة الضوء، مدة التعرض، والرطوبة—فإن نفس نوع المشبك يحمل بطبيعته معلومات متعددة الأبعاد عن بيئته. سجّل الفريق كيف تطورت شفافية الطبقة مع الزمن تحت ظروف مختلفة وأدخلوا هذه المسارات في شبكة عصبية تكرارية، وهي شكل من أشكال الذكاء الاصطناعي يتميّز بقدرته على تمييز الأنماط التي تتكشف عبر الزمن. على الرغم من أن كل المعلومات أتت من نوع واحد من الإشارة الضوئية، تعلّمت الشبكة التمييز بين شدات ضوئية مختلفة، ومدد النبض، ومستويات الرطوبة بدقة تامة، مما يُظهر أن هذه المشابك الفوتونية يمكن أن تعمل كمستشعرات غنية وحساسة زمنياً إلى جانب كونها عناصر ذاكرة.

إعادة برمجة المهام بالضوء وحده

لإظهار الحوسبة العملية، استخدم المؤلفون مجموعات من هذه الطبقات كعناصر قابلة للضبط في شبكة عصبية بصرية حيودية—إعداد تُعالَج فيه الصور أثناء مرورها عبر طبقات رقيقة منقوشة بدلًا من الدوائر الإلكترونية. عن طريق إسقاط تسلسلات ضوئية برمجية مختلفة على مشابكات البيروفسكايت، تمكنوا من ضبط ما يصل إلى 80 مستوى شفاف مختلف في كل موقع، مجدّدًا معلمات الشبكة الداخلية دون أي تغييرات مادية. بمجموعات مختلفة من «الأوزان» البصرية صنّف النظام أرقامًا يدوية؛ وبمجموعة أخرى تعرّف على عناصر ملابس من قاعدة بيانات منفصلة. كلتا المهمتين نفذتا بواسطة نفس الأجهزة، أعيد تهيئتها ببساطة بواسطة تحديثات المشابك التي يحركها الضوء.

ما يعنيه هذا للآلات المستقبلية

تُظهر هذه العملة أن طبقة حساسة بسيطة للضوء يمكن أن تتصرف كوصلة ذكية قابلة للضبط في شبكة عصبية، مخزنةً المعلومات في شفافيتها وتستجيب بشكل مختلف اعتمادًا على الإشارات الحديثة والبيئة المحيطة. من خلال جمع العديد من هذه العناصر، يخلق الباحثون أنظمة بصرية يمكنها الإحساس والتذكّر والتكيف مع مهام جديدة بسرعة عالية وباستهلاك طاقة منخفض، وكل ذلك دون دوائر إلكترونية تقليدية. بعبارة مبسطة، إنها خطوة نحو كاميرات ومستشعرات تكون «عيونها» و«عقولها» مصنوعة من نفس المادة القائمة على الضوء، تتعلّم مباشرة من الضوء الذي ترى وتعيد تشكيل سلوكها بمجرد أنماط إضاءة جديدة.

الاستشهاد: Zi, J., Sun, J., Yang, B. et al. Multidimensional and reconfigurable optical neuromorphic computing using perovskite-based all-photonic synapses. Commun Mater 7, 92 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01097-x

الكلمات المفتاحية: الحوسبة العصبية الضوئية, مشبك بيروفسكايت, ذاكرة فوتونية كلية, الضوئيات القابلة لإعادة التكوين, شبكة عصبية حيادية حيودية