Квантово-усиленная перенастраиваемая стохастическая вычислительная память

Почему этот новый тип компьютера важен

Современная жизнь построена на данных: от потокового видео до обучения искусственного интеллекта. При этом современные компьютеры теряют время и энергию, постоянно перенося информацию между процессором и памятью. В этой статье представлен принципиально другой подход: крошечная камера с тёплыми атомами, которая одновременно может хранить информацию и выполнять вычисления с использованием странных законов квантовой физики. Результат — новый тип «in-memory» компьютера, естественно приспособленного к массово-параллельным задачам, способного ускорять определённые операции и даже частично скрывать сам процесс вычисления от посторонних глаз.

Другой взгляд на числа

Вместо представления чисел в виде фиксированных разрядов в электронных схемах авторы используют саму вероятность как исходный материал вычислений. Их система опирается на «стохастические вычисления», где числа кодируются вероятностью случайных событий. В данном случае события — это отдельные частицы света — фотоны — испускаемые квантовой памятью. Квантовая память представляет собой стеклянную ячейку, заполненную миллиардами атомов цезия при комнатной температуре и заключённую в магнитную экранировку. Тщательно сформированные лазерные импульсы взаимодействуют с этими атомами, заставляя их испускать фотоны в контролируемом, но случайном режиме. Подсчитывая, как часто появляются фотоны, устройство выполняет базовые математические операции.

Как облако атомов становится калькулятором

Установка разделена на блок интерфейса, блок в памяти и аккумулятор. Блок интерфейса сначала переводит задачу пользователя — например сложение или умножение чисел — в определённую последовательность лазерных импульсов. Эти «адресные импульсы» входят в атомную ячейку, где они либо подготавливают атомы, либо записывают в них информацию, либо считывают информацию обратно. В процессе атомы испускают два типа фотонов, известных как стокс- и антистокс-фотоны, а также создают скрытые спиновые возбуждения внутри атомного облака. Вероятность появления фотона в каждом временном слоте напрямую связана с обрабатываемыми числами. Покинув память, фотоны попадают на детекторы одиночных фотонов, а их количества суммируются аккумулятором по простым правилам, выбранным для каждой задачи.

Превращение случайных вспышек в сложение и умножение

Сложение реализуется путём многократной подачи «записывающих» импульсов, которые с определённой вероятностью могут генерировать стокс-фотоны. Каждое успешное обнаружение добавляет одну единицу к текущему итогу. За множество испытаний среднее число подсчитанных фотонов отражает сумму закодированных входных значений. Умножение использует квантовые корреляции: записывающий импульс может создать стокс-фотон вместе с сохранённым атомным возбуждением, а поздний «считывающий» импульс может преобразовать это возбуждение в антистокс-фотон. Когда оба фотона регистрируются совпадающими событиями, их совместная вероятность появления соответствует произведению двух чисел. Первое число кодируется вероятностью появления стокс-фотона, второе — эффективностью преобразования сохранённого возбуждения в антистокс-фотон. За счёт проектирования последовательностей импульсов система может выполнять не только отдельные операции сложения и умножения, но и параллельные операции, например умножение векторов.

Ускорение с помощью квантовых связей и сокрытие результата

Главное преимущество этого подхода вытекает из неклассических корреляций между фотонами. Когда стокс- и антистокс-фотоны действительно связаны через общее атомное возбуждение, их коэффициент совпадений может быть в несколько раз выше ожидаемого для некоррелированных случайных фотонов. Это эффективно повышает скорость умножения без увеличения энергии импульсов, поскольку система достигает целевого числа совпадающих событий за меньшее количество испытаний. Одновременно случайность генерации фотонов обеспечивает необычную форму безопасности. Если злоумышленник может наблюдать лишь малую часть событий детектирования, широкое статистическое распределение результатов испытаний не позволяет ему надёжно восстановить окончательный числовой результат. Таким образом вычисление само по себе — а не только коммуникационный канал — остаётся скрытым во время обработки.

Неполноценная квантовая память найдена полезной

Используемая здесь квантовая память далека от идеала по меркам дальних квантовых сетей: только малая доля сохранённых возбуждений успешно считывается. Тем не менее авторы показывают, что такое «неидеальное» устройство более чем пригодно для квантово-усиленных стохастических вычислений in-memory, при условии что коррелированные пары фотонов возникают чаще, чем случайные совпадения. Они утверждают, что такие памяти, уже реализуемые с текущими технологиями, могли бы лечь в основу безопасных модулей для массово-параллельных вычислений, интегрируемых с фотонными чипами. Проще говоря, работа демонстрирует, что даже шумная, малоэффективная квантовая память может выступать мощным калькулятором, работающим путём подсчёта вспышек света — открывая новый путь к аппаратному обеспечению будущих вычислений, которое будет быстрее, энергоэффективнее и по своей природе приватнее.

Цитирование: 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

Ключевые слова: квантовая память-вычисления, стохастические вычисления, обработка одиночных фотонов, архитектура in-memory, безопасные квантовые вычисления