Kvantförstärkt rekonfigurerbar stokastisk beräkning i minnet

Varför denna nya typ av dator betyder något

Det moderna livet bygger på data, från strömmande video till träning av artificiell intelligens. Trots det slösar dagens datorer tid och energi på att skicka information fram och tillbaka mellan processor och minne. Denna artikel beskriver ett radikalt annorlunda tillvägagångssätt: ett litet rör med varma atomer som både kan lagra information och utföra beräkningar med kvantfysikens egendomliga regler. Resultatet är en ny typ av ”in-memory”-dator som naturligt lämpar sig för massivt parallella uppgifter, kan påskynda vissa operationer och till och med hålla själva beräkningen delvis dold för nyfikna ögon.

Ett annat sätt att tänka på tal

I stället för att representera tal som fasta siffror i elektroniska kretsar använder författarna slumpen själv som beräkningens råmaterial. Deras system bygger på ”stokastisk beräkning”, där tal kodas i sannolikheten för slumpmässiga händelser. I detta fall är händelserna enskilda ljapartiklar—fotoner—utsända från ett kvantminne. Kvantminnet är en glascell fylld med miljarder cesiumatomer i rumstemperatur, omsluten av magnetisk avskärmning. Noggrant formade laserpulser interagerar med dessa atomer och får dem att avge fotoner på ett kontrollerat men slumpmässigt sätt. Genom att räkna hur ofta fotoner uppträder kan enheten utföra grundläggande matematiska operationer.

Hur ett moln av atomer blir en räknemaskin

Uppsättningen är uppdelad i en gränssnittsmodul, en in-memory-enhet och en ackumulator. Gränssnittsmodulen översätter först användarens uppgift—som att addera eller multiplicera tal—till ett specifikt mönster av laserpulser. Dessa ”adresspulsar” går in i atomcellen, där de antingen förbereder atomerna, skriver information i dem eller läser information tillbaka. I processen avger atomerna två typer av fotoner, kända som Stokes- och anti-Stokes-fotoner, tillsammans med dolda spinnexcitationer inne i atommolnet. Sannolikheten att en foton uppträder i varje tidslucka är direkt kopplad till de tal som bearbetas. Efter att ha lämnat minnet träffar fotonerna en-fotondetektorer, och deras räknade händelser summeras av ackumulatorn enligt enkla regler valda för varje uppgift.

Att förvandla slumpmässiga blixtar till addition och multiplikation

Addition implementeras genom att upprepade gånger sända in ”skriv”-pulser som kan generera Stokes-fotoner med en viss sannolikhet. Varje lyckad detektion lägger till en enhet i löpande total. Över många försök speglar det genomsnittliga antalet räknade fotoner summan av de kodade ingångarna. Multiplikation utnyttjar kvantkorrelationer: en skrivpuls kan skapa en Stokes-foton samtidigt som en lagrad atomexcitation, och en senare ”läs”-puls kan omvandla den excitationen till en anti-Stokes-foton. När båda fotonerna detekteras i koinciden sätter deras gemensamma uppträdandesannolikhet i förhållande till produkten av två tal. Det första talet kodas i hur sannolikt det är att Stokes-fotonen uppträder, och det andra i hur effektivt den lagrade excitationen omvandlas till anti-Stokes-fotonen. Genom att utforma pulssekvenser kan systemet hantera inte bara enstaka additioner och multiplikationer utan även parallella operationer såsom vektormultiplikation.

Påskyndning med kvantkopplingar och att dölja svaret

En central fördel med detta tillvägagångssätt kommer från icke-klassiska korrelationer mellan fotonerna. När Stokes- och anti-Stokes-fotonerna är genuint länkade via den delade atomexcitationen kan deras koincidensfrekvens vara flera gånger högre än vad som skulle förväntas från okorrelerade slumpfotoner. Detta ökar effektivt hastigheten för multiplikation utan att öka pulsernas energi, eftersom systemet når ett målantal koincidenshändelser i färre försök. Samtidigt ger slumpmässigheten i fotongenereringen en ovanlig form av säkerhet. Om en avlyssnare bara kan observera en liten del av detektionshändelserna förhindrar den breda statistiska spridningen av försöksräkningar att de pålitligt kan begripa det slutliga numeriska resultatet. På så vis förblir själva beräkningen—not bara kommunikationskanalen—dold under bearbetningen.

Otillfredsställande kvantminne som används väl

Kvantminnet som används här är långt ifrån idealiskt enligt standard för långdistans kvantnätverk: endast en liten andel av lagrade excitationer läses framgångsrikt ut. Trots det visar författarna att denna ”otillräckliga” enhet är mer än tillräcklig för kvantförstärkt in-memory stokastisk beräkning, så länge korrelerade fotonpar uppträder oftare än slumpmässiga sådana. De hävdar att sådana minnen, som redan är genomförbara med nuvarande teknik, skulle kunna utgöra grunden för säkra, massivt parallella beräkningsmoduler integrerade med fotoniska chip. Enkelt uttryckt visar arbetet att även ett brusigt, låg-effektivt kvantminne kan fungera som en kraftfull räknemaskin som arbetar genom att räkna ljusblixtar—vilket erbjuder en ny väg mot framtida hårdvara som är snabbare, mer energieffektiv och naturligt privat.

Citering: 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

Nyckelord: kvantminnesberäkning, stokastisk beräkning, en-foton bearbetning, in-memory-arkitektur, säker kvantberäkning