Calcolo stocastico in memoria riconfigurabile potenziato quantisticamente

Perché questo nuovo tipo di computer è importante

La vita moderna dipende dai dati, dallo streaming video all’addestramento dell’intelligenza artificiale. Tuttavia, i computer odierni sprecano tempo ed energia trasferendo continuamente informazioni tra processore e memoria. Questo lavoro descrive un approccio radicalmente diverso: un piccolo contenitore di atomi caldi che può sia immagazzinare informazioni sia effettuare calcoli sfruttando le strane leggi della fisica quantistica. Il risultato è un nuovo tipo di computer “in-memory” naturalmente adatto a compiti massivamente paralleli, capace di accelerare certe operazioni e persino di mantenere il calcolo in parte nascosto da occhi indiscreti.

Un modo diverso di concepire i numeri

Invece di rappresentare i numeri come cifre fisse in circuiti elettronici, gli autori usano la casualità stessa come materia prima del calcolo. Il loro sistema si basa sul “calcolo stocastico”, in cui i numeri sono codificati nella probabilità di eventi casuali. In questo caso, gli eventi sono singole particelle di luce — fotoni — emesse da una memoria quantistica. La memoria quantistica è una cella di vetro contenente miliardi di atomi di cesio a temperatura ambiente, avvolta in schermatura magnetica. Impulsi laser sagomati con cura interagiscono con questi atomi, inducendoli a emettere fotoni in modo controllato ma casuale. Contando quanto spesso i fotoni compaiono, il dispositivo può eseguire operazioni matematiche di base.

Come una nube di atomi diventa una calcolatrice

Il sistema è diviso in un’unità di interfaccia, un’unità in-memory e un accumulatore. L’unità di interfaccia traduce innanzitutto il compito dell’utente — per esempio sommare o moltiplicare numeri — in uno specifico schema di impulsi laser. Questi “impulsi di indirizzamento” entrano nella cella atomica, dove preparano gli atomi, scrivono informazioni in essi o leggono informazioni. Nel processo, gli atomi emettono due tipi di fotoni, noti come fotoni Stokes e anti-Stokes, insieme a eccitazioni di spin nascoste all’interno della nube atomica. La probabilità che un fotone appaia in ciascuna finestra temporale è direttamente legata ai numeri che vengono elaborati. Usciti dalla memoria, i fotoni colpiscono rivelatori di singoli fotoni e i loro conteggi vengono sommati dall’accumulatore secondo regole semplici scelte per ogni compito.

Trasformare lampi casuali in addizione e moltiplicazione

L’addizione si realizza inviando ripetutamente impulsi di “scrittura” che possono generare fotoni Stokes con una certa probabilità. Ogni rilevazione riuscita aggiunge una unità al totale in corso. Su molte ripetizioni, il numero medio di fotoni contati riflette la somma degli input codificati. La moltiplicazione sfrutta le correlazioni quantistiche: un impulso di scrittura può creare un fotone Stokes insieme a un’eccitazione atomica immagazzinata, e un successivo impulso di “lettura” può convertire quell’eccitazione in un fotone anti-Stokes. Quando entrambi i fotoni vengono rilevati in coincidenza, la probabilità congiunta della loro comparsa corrisponde al prodotto di due numeri. Il primo numero è codificato nella probabilità che il fotone Stokes compaia, il secondo in quanto efficientemente l’eccitazione immagazzinata viene convertita nell’anti-Stokes. Progettando treni di impulsi, il sistema può gestire non solo singole addizioni e moltiplicazioni ma anche operazioni parallele come la moltiplicazione di vettori.

Accelerare con legami quantistici e nascondere il risultato

Un vantaggio centrale di questo approccio deriva dalle correlazioni non classiche tra i fotoni. Quando fotoni Stokes e anti-Stokes sono davvero collegati tramite la comune eccitazione atomica, il loro tasso di coincidenza può essere più volte superiore a quanto ci si aspetterebbe da fotoni casuali non correlati. Questo aumenta efficacemente la velocità della moltiplicazione senza aumentare l’energia degli impulsi, perché il sistema raggiunge un numero target di eventi in coincidenza in meno prove. Allo stesso tempo, la casualità nella generazione dei fotoni offre una forma insolita di sicurezza. Se un intercettatore riesce a osservare solo una piccola frazione degli eventi di rivelazione, l’ampia variabilità statistica dei conteggi di prova gli impedisce di inferire in modo affidabile il risultato numerico finale. In questo modo, il calcolo stesso — non solo il canale di comunicazione — rimane celato durante l’elaborazione.

Una memoria quantistica imperfetta messa a frutto

La memoria quantistica utilizzata qui è ben lontana dall’essere ideale secondo gli standard delle reti quantistiche a lunga distanza: solo una piccola frazione delle eccitazioni immagazzinate viene letta con successo. Tuttavia, gli autori dimostrano che questo dispositivo “imperfetto” è più che adeguato per il calcolo stocastico in-memory potenziato quantisticamente, purché le coppie di fotoni correlati si verifichino più spesso di quelle accidentali. Sostengono che memorie di questo tipo, già fattibili con la tecnologia attuale, potrebbero supportare moduli di calcolo sicuri e massivamente paralleli integrati con chip fotonici. In termini semplici, il lavoro dimostra che anche una memoria quantistica rumorosa e a bassa efficienza può fungere da potente calcolatore che lavora contando lampi di luce — offrendo una nuova via verso hardware di calcolo futuro più veloce, più efficiente dal punto di vista energetico e intrinsecamente privato.

Citazione: 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

Parole chiave: calcolo quantistico in memoria, calcolo stocastico, elaborazione a singolo fotone, architettura in-memory, calcolo quantistico sicuro