Quantum-versterkte herconfigureerbare in-memory stochastische berekening

Waarom dit nieuwe soort computer ertoe doet

Het moderne leven draait om data, van videostreaming tot het trainen van kunstmatige intelligentie. Toch verspillen hedendaagse computers tijd en energie aan het heen en weer verplaatsen van informatie tussen processor en geheugen. Dit artikel beschrijft een radicaal andere benadering: een klein buisje met warme atomen dat zowel informatie kan opslaan als berekeningen kan uitvoeren volgens de eigenaardige regels van de quantumfysica. Het resultaat is een nieuw soort "in-memory" computer die van nature geschikt is voor massaal parallelle taken, bepaalde bewerkingen kan versnellen en zelfs een deel van de berekening zelf onzichtbaar houdt voor nieuwsgierige blikken.

Een andere manier om over getallen na te denken

In plaats van getallen weer te geven als vaste cijfers in elektronische schakelingen, gebruiken de auteurs toeval zelf als grondstof voor berekeningen. Hun systeem berust op "stochastische berekening", waarbij getallen worden gecodeerd in de waarschijnlijkheid van willekeurige gebeurtenissen. In dit geval zijn die gebeurtenissen individuele lichtdeeltjes — fotonen — die worden uitgezonden door een quantumgeheugen. Het quantumgeheugen is een glazen cel gevuld met miljarden cesiumatomen bij kamertemperatuur, omgeven door magnetische afscherming. Zorgvuldig gevormde laserpulsen wisselen met deze atomen en laten ze gecontroleerd maar willekeurig fotonen uitzenden. Door te tellen hoe vaak fotonen verschijnen, kan het apparaat basiswiskundige bewerkingen uitvoeren.

Hoe een wolk atomen een rekenmachine wordt

De opstelling is verdeeld in een interface‑eenheid, een in-memory eenheid en een accumulator. De interface vertaalt eerst een gebruikersopdracht — zoals het optellen of vermenigvuldigen van getallen — in een specifiek patroon van laserpulsen. Deze "adresseringspulsen" gaan de atomencel binnen, waar ze de atomen voorbereiden, informatie in hen schrijven of informatie uit hen uitlezen. Daarbij zenden de atomen twee typen fotonen uit, bekend als Stokes- en anti‑Stokes-fotonen, samen met verborgen spinexcitaties in de atoomwolk. De kans dat er in een gegeven tijdslot een foton verschijnt, is rechtstreeks verbonden met de te verwerken getallen. Nadat de fotonen het geheugen verlaten, vallen ze op single‑photondetectoren en worden hun tellingen door de accumulator opgeteld volgens eenvoudige regels die per taak worden gekozen.

Willekeurige flitsen omzetten in optelling en vermenigvuldiging

Optelling wordt gerealiseerd door herhaaldelijk "write"-pulsen te sturen die Stokes-fotonen met een bepaalde waarschijnlijkheid kunnen genereren. Elke succesvolle detectie telt als één eenheid bij de lopende som. Over veel proeven weerspiegelt het gemiddelde aantal getelde fotonen de som van de gecodeerde ingangen. Vermenigvuldiging maakt gebruik van quantumcorrelaties: een write‑puls kan een Stokes‑foton creëren samen met een opgeslagen atomische excitatie, en een latere "read"‑puls kan die excitatie omzetten in een anti‑Stokes‑foton. Wanneer beide fotonen gelijktijdig worden gedetecteerd, komt hun gezamenlijke verschijningskans overeen met het product van twee getallen. Het eerste getal is gecodeerd in hoe waarschijnlijk het is dat het Stokes‑foton verschijnt, en het tweede in hoe efficiënt de opgeslagen excitatie wordt geconverteerd in het anti‑Stokes‑foton. Door pulstreinen te ontwerpen kan het systeem niet alleen enkele optellingen en vermenigvuldigingen uitvoeren, maar ook parallelle bewerkingen zoals vectormultiplicatie.

Versnellen met quantumkoppelingen en het antwoord verbergen

Een belangrijk voordeel van deze benadering komt voort uit niet‑klassieke correlaties tussen de fotonen. Wanneer Stokes- en anti‑Stokes‑fotonen werkelijk gekoppeld zijn via de gedeelde atomische excitatie, kan hun coincidentie‑rate meerdere malen hoger zijn dan wat zou worden verwacht voor niet‑gecorreleerde willekeurige fotonen. Dit verhoogt effectief de snelheid van vermenigvuldiging zonder de pulsenergie te vergroten, omdat het systeem in minder proeven een doelaantal coincidentie‑gebeurtenissen bereikt. Tegelijkertijd biedt de willekeurigheid van fotongeneratie een bijzondere vorm van beveiliging. Als een afluisteraar slechts een klein deel van de detectiegebeurtenissen kan waarnemen, voorkomt de brede statistische spreiding van proeftellingen dat diegene betrouwbaar het uiteindelijke numerieke resultaat kan afleiden. Op deze manier blijft de berekening zelf — niet alleen het communicatiekanaal — verborgen tijdens de verwerking.

Imperfect quantumgeheugen goed benut

Het hier gebruikte quantumgeheugen is verre van ideaal volgens de maatstaven van afstandsquantumnetwerken: slechts een klein deel van de opgeslagen excitaties wordt succesvol uitgelezen. Niettemin laten de auteurs zien dat dit "imperfecte" apparaat meer dan toereikend is voor quantum‑versterkte in‑memory stochastische berekening, zolang gecorreleerde fotonparen vaker voorkomen dan toevallige paren. Ze betogen dat dergelijke geheugens, die al haalbaar zijn met huidige technologie, veilige, massaal parallelle rekenmodules zouden kunnen ondersteunen die geïntegreerd zijn met fotonische chips. Simpel gezegd demonstreert het werk dat zelfs een rumoerig, laag‑efficiënt quantumgeheugen kan fungeren als een krachtige rekenmachine die werkt door het tellen van lichtflitsen — en zo een nieuw pad opent naar toekomstige rekenhardware die sneller, energiezuiniger en van nature privaat is.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: quantum geheugenberekening, stochastische berekening, single-foton verwerking, in-memory architectuur, veilige quantumberekening