מחשוב הסתברותי בזיכרון הניתן לשינוי, משופר בקוונטום

מדוע סוג מחשב זה חשוב

החיים המודרניים מבוססים על נתונים, משידור וידאו ועד לאימון מערכות בינה מלאכותית. עם זאת, מחשבים כיום מבזבזים זמן ואנרגיה בהעברת מידע הלוך ושוב בין המעבד לזיכרון. מאמר זה מדווח על גישה שונה באופן קיצוני: שפופרת זעירה של אטומים חמים שיכולה גם לאחסן מידע וגם לבצע חישובים לפי החוקים המוזרים של מכניקת הקוונטים. התוצאה היא סוג חדש של מחשב "בזיכרון" שמתאים באופן טבעי למשימות בעלות מקביליות מסיבית, יכול לה acelerate פעולות מסוימות, ואפילו שומר על החישוב עצמו חלקית מוסתר מעיניים סקרניות.

דרך שונה לחשוב על מספרים

במקום לייצג מספרים כספרות קבועות במעגלים אלקטרוניים, המחברים משתמשים במקרה עצמו כחומר הגולמי של החישוב. המערכת שלהם נשענת על "חישוב הסתברותי", שבו מספרים מקודדים בהסתברות של אירועים אקראיים. במקרה זה, האירועים הם חלקיקים בודדים של אור—פוטונים—נפלטים מזיכרון קוונטי. הזיכרון הקוונטי הוא תא זכוכית מלא במיליארדי אטומי צזיום בטמפרטורת החדר, עטוף במיגון מגנטי. פולסים לייזר מעוצבים בקפידה מתקשרים עם האטומים הללו, וגורמים להם לפלוט פוטונים באופן מבוקר אך אקראי. על ידי ספירת תדירות הופעת הפוטונים, המכשיר יכול לבצע פעולות מתמטיות בסיסיות.

איך ענן אטומים הופך למחשבון

המערכת מחולקת ליחידת ממשק, יחידת בזיכרון ואקומולטור. יחידת הממשק מתרגמת תחילה את משימת המשתמש—כמו חיבור או כפל מספרים—לדפוס ספציפי של פולסי לייזר. "פולסי הכתובת" הללו נכנסים לתא האטומים, שם הם או מכינים את האטומים, כותבים לתוכם מידע, או קוראים אותו חזרה. בתהליך זה הפלוטים מתוך האטומים שני סוגי פוטונים, הידועים כפוטוני סטוקס ואנטי-סטוקס, יחד עם התרגשויות ספין חבויות בענן האטומי. ההסתברות שמופיע פוטון בכל חריץ זמן מקושרת ישירות למספרים המעובדים. לאחר העזיבה מהזיכרון, הפוטונים פוגעים בגלאי פוטון-בודד, וספירתם נספרת על ידי האקומולטור לפי חוקים פשוטים הנבחרים לכל משימה.

הפיכת הבזקים אקראיים לחיבור וכפל

חיבור מיושם על-ידי שליחה חוזרת של פולסי "כתיבה" היכולים לייצר פוטוני סטוקס בהסתברות מסוימת. כל גילוי מוצלח מוסיף יחידה לסכום הרץ. לאורך ניסויים רבים, ממוצע מספר הפוטונים הנקלטים משקף את סכום הקלטים המקודדים. הכפל משתמש בקורלציות קוונטיות: פולס כתיבה יכול ליצור פוטון סטוקס יחד עם התרגשות אטומית מאוחסנת, ופולס "קריאה" מאוחר יותר יכול להמיר את ההתרגשות הזו לפוטון אנטי-סטוקס. כאשר שני הפוטונים מתגלים בהתממשקות (coincidence), הסתברות הופעתם המשותפת תואמת למכפלת שני מספרים. המספר הראשון מקודד בהסתברות להופעת פוטון הסטוקס, והשני ביעילות שבה התרגשות האחסון מומצאת לפוטון האנטי-סטוקס. באמצעות עיצוב רצפי פולסים, המערכת יכולה לטפל לא רק בחיבורים וכפל בודדים אלא גם בפעולות מקבילות כמו כפל וקטורים.

האצה באמצעות קישורים קוונטיים והסתרת התשובה

יתרון מרכזי בגישה זו נובע מקורלציות בלתי-קלאסיות בין הפוטונים. כאשר פוטוני סטוקס ואנטי-סטוקס מקושרים באמת דרך התרגשות אטומית משותפת, שיעור ההתממשקות שלהם יכול להיות גבוה בכמה מונים מהצפוי מפוטונים אקראיים בלתי-קורלטיביים. זה מגדיל באופן אפקטיבי את מהירות הכפל מבלי להגדיל את אנרגיית הפולס, מפני שהמערכת מגיעה למספר יעד של אירועי התממשקות בפחות ניסיונות. במקביל, האקראיות של ייצור הפוטונים מספקת צורה יוצאת דופן של אבטחה. אם יאזין יכול לצפות רק בחלק קטן מאירועי הגילוי, התפוצה הסטטיסטית הרחבה של ספירות הניסיונות מונעת ממנו להסיק באופן אמין את התוצאה המספרית הסופית. בכך החישוב עצמו—לא רק ערוץ התקשורת—נשאר מוסתר במהלך העיבוד.

שימוש טוב בזיכרון קוונטי בלתי מושלם

הזיכרון הקוונטי המשמש כאן רחוק מלהיות אידיאלי ביחס לסטנדרטים של רשתות קוונטיות לטווח ארוך: רק חלק קטן מההתרגשויות המאוחסנות נקראות בהצלחה. עם זאת, המחברים מראים שה"התקן הבלתי מושלם" הזה מספיקה ביותר לחישוב הסתברותי משופר-קוונטית בזיכרון, כל עוד זוגות פוטונים מקושרים מופיעים בתדירות גבוהה יותר מזו של פוטונים אקראיים מקריים. הם טוענים כי זיכרונות כאלה, שכבר יש בהישג יד טכנולוגייתית עכשווית, יכולים לתמוך במודולים חישוביים מאובטחים ומקבילים המוטמעים עם שבבי פוטוניקה. במילים פשוטות, העבודה מדגימה שגם זיכרון קוונטי רעשני ודל-יעילות יכול לשמש כמחשב רב-עצמה העובד על ידי ספירת הבזקים של אור—ומציע דרך חדשה לחומרת מחשוב עתידית שהיא מהירה יותר, חסכונית באנרגיה ובעלת פרטיות טבעית.

ציטוט: 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

מילות מפתח: חישוב בזיכרון קוונטי, חישוב הסתברותי, עיבוד פוטונים בודדים, ארכיטקטורת בזיכרון, חישוב קוונטי מאובטח