في عالم صاخب وغير دقيق ، يمكن أن تعيق أرقام 0 و 1 الحاسمة لأجهزة الكمبيوتر الحالية طريق الحصول على إجابات دقيقة لمشكلات العالم الواقعي الفوضوية. هكذا يقول مجال بحثي ناشئ رائد نوعًا من الحوسبة يسمى الحوسبة الاحتمالية. والآن ابتكر فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طريقة جديدة لتوليد بتات احتمالية (بتات p) بمعدلات أعلى بكثير – باستخدام الضوئيات لتسخير التذبذبات الكمومية العشوائية في الفضاء الفارغ.
الطريقة الحتمية التي تعمل بها أجهزة الكمبيوتر التقليدية ليست مناسبة تمامًا للتعامل مع عدم اليقين والعشوائية الموجودة في العديد من العمليات الفيزيائية والأنظمة المعقدة. تعد الحوسبة الاحتمالية بتوفير طريقة أكثر طبيعية لحل هذه الأنواع من المشاكل من خلال بناء معالجات من مكونات تتصرف بشكل عشوائي.
هذا النهج مناسب بشكل خاص لمشاكل التحسين المعقدة مع العديد من الحلول الممكنة أو للقيام بالتعلم الآلي على مجموعات بيانات كبيرة جدًا وغير مكتملة حيث يمثل عدم اليقين مشكلة. يمكن للحوسبة الاحتمالية أن تفتح رؤى ونتائج جديدة في مجال الأرصاد الجوية ومحاكاة المناخ ، على سبيل المثال ، أو برامج الكشف عن البريد العشوائي ومكافحة الإرهاب ، أو الجيل التالي من الذكاء الاصطناعي.
يمكن للفريق الآن توليد 10000 بت في الثانية. هل الدائرة الإلكترونية التالية؟
تُعرف اللبنات الأساسية للكمبيوتر الاحتمالي باسم p-bits وتعادل البتات الموجودة في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، إلا أنها تتأرجح بين 0 و 1 بناءً على توزيع الاحتمالات. حتى الآن ، تم إنشاء p-bits من مكونات إلكترونية تستغل التقلبات العشوائية في خصائص فيزيائية معينة.
لكن في ورقة جديدةنشرت في العدد الأخير من المجلة علوم قام فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بإنشاء أول p-bit فوتوني على الإطلاق. يقول تشارلز روك كارمز ، زميل العلوم في جامعة ستانفورد وعالم زائر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، والذي عمل في المشروع أثناء عمله في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، إن جاذبية استخدام المكونات الضوئية هي أنها تعمل بشكل أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة إلى حد كبير. ويضيف: “الميزة الرئيسية هي أنه يمكنك ، من حيث المبدأ ، توليد عدد كبير جدًا من الأرقام العشوائية في الثانية”.
يوجد في قلب بت p-bit مكون يسمى مذبذب حدودي بصري (OPO) ، وهو في الأساس زوج من المرايا التي ترتد الضوء ذهابًا وإيابًا بينهما.
ومع ذلك ، لا ينتقل الضوء في فراغ مادي ، بنفس المعنى الذي يكون فيه الفضاء الخارجي فراغًا. تقول روكس كارمز: “نحن لا نضخ فراغًا”. “من حيث المبدأ ، … إنه في الظلام. نحن لا نرسل أي ضوء. وهذا ما نسميه حالة الفراغ في البصريات. لا يوجد فوتون في المتوسط في التجويف “.
عندما يتم ضخ الليزر في التجويف ، يتذبذب الضوء بتردد معين. ولكن في كل مرة يتم فيها تشغيل الجهاز ، يمكن أن تأخذ مرحلة التذبذب إحدى الحالتين.
تعتمد الحالة التي تستقر عليها على الظواهر الكمومية المعروفة باسم “تقلبات الفراغ” ، وهي عشوائية بطبيعتها. هذا التأثير الكمي وراء ظواهر ملحوظة جيدًا مثل انزياح الحمل في الأطياف الذرية وقوى كاسيمير وفان دير فال الموجودة في النظم النانوية والجزيئات ، على التوالي.
“يمكننا الاحتفاظ بالجانب العشوائي الذي يأتي للتو من استخدام فيزياء الكم ، ولكن بطريقة يمكننا التحكم فيها.”
—شارلز روك كارمز ، جامعة ستانفورد
تم استخدام OPO سابقًا لإنشاء أرقام عشوائية ، ولكن لأول مرة أظهر فريق MIT أنه يمكنهم ممارسة بعض السيطرة على عشوائية الناتج. عن طريق حقن المذبذب بنبضات ليزر ضعيفة بشكل لا يُصدق – ضعيفة جدًا هناك أقل من فوتون واحد لكل نبضة في المتوسط - يمكن أن تغير الاحتمال الذي يأخذ به حالة طور معينة.
هذه القدرة على التأثير ، ولكن ليس تحديدًا حتميًا ، حالة طور OPO تجعلها طريقة واعدة لتوليد p-bits ، كما يقول الباحثون. “يمكننا الاحتفاظ بالجانب العشوائي الذي يأتي للتو من استخدام فيزياء الكم ، ولكن بطريقة يمكننا من خلالها التحكم في توزيع الاحتمالات الناتج عن تلك المتغيرات الكمية” ، كما يقول روك كارمز.
تمكن الفريق ، كما يقولون ، من توليد 10000 بت في الثانية من الإشارة التي تتوافق مع توزيع احتمالي معين. بعبارة أخرى ، يمكنهم صنع 10 كيلوغرامات بت في الثانية – في المستوى الحالي لتقنية الحوسبة الاحتمالية على الأقل – يبدو أنها تتصرف بالطرق المطلوبة لبناء كمبيوتر احتمالي.
قام الفريق ببناء أجهزتهم باستخدام مجموعة كبيرة من المكونات الضوئية للطاولة ، لذا فإن بناء جهاز كمبيوتر احتمالي عملي باستخدام هذه المبادئ سيتطلب عملاً هائلاً. لكن يانيك سالامين ، باحث ما بعد الدكتوراة في مختبر أبحاث الإلكترونيات بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، يقول إنه لا توجد حواجز أساسية. يقول: “أردنا أن نظهر فيزياءها ، لذلك بنينا هذا النظام الكبير”. “ولكن إذا كنت مهتمًا بالتوسع والتصغير وما إلى ذلك ، فهناك خبراء في هذا المجال يمكنهم القيام بذلك.”
يقول Kerem Camsari ، الأستاذ المساعد في EECS في جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا ، إن عمل مجموعة MIT “مثير للغاية” ، لكنه يود أن يرى هذا الدليل على المفهوم مبنيًا على نطاق أوسع من مجرد p-bits الفردية . . يقول: “سيكون من الرائع رؤية أعمال متابعة تتجاوز بتات p مفردة إلى دوائر p فوتونية مرتبطة”.
يقول مورجان ميتشل – أستاذ البصريات الكمومية الذرية في معهد العلوم الضوئية (ICFO) في جامعة كاتالونيا التقنية في برشلونة – إن العمل الجديد “مثير للاهتمام في سياق الحوسبة الضوئية الكلاسيكية” ولكنه يبدو حذرًا بشأن القراءة أكثر من اللازم في النتائج الأولية. “سيكون من المثير للاهتمام معرفة ما إذا كان بإمكان المؤلفين تحديد” المدى الذي تكون فيه حالة p-bits ناتجة عن العشوائية الناتجة عن الفراغ بدلاً من المصادر الأخرى للعشوائية الظاهرة مثل الضوضاء البيئية أو عيوب الجهاز.
من مقالات موقعك
مقالات ذات صلة حول الويب
