حاسوب ضوئي

أمين مكتبة في مستودع الكتب النادرة يأخذ مجلدًا من الرف ويعيده إلى مكانه دون أن يوقظ قطة نائمة بالقرب منه. هذا تقريبًا ما تفعله الذاكرة الكمومية الجديدة: تلتقط فوتونًا، تخفيه في اهتزاز ميكانيكي لجسر سيليكوني صغير، وتعيده عند أول طلب. الشبكات الكمومية تعد باتصالات آمنة وحوسبة موزعة، لكنها تفتقر إلى عقدة قادرة على تخزين الفوتونات عند طول موجة الألياف البصرية.

التلسكوب الراديوي المكوّن من آلاف الهوائيات يشبه أذنًا عملاقة تسمع السماء بأكملها في آنٍ واحد. لكن الأذن لا تستطيع رسم صورة: يجب ضرب الإشارات القادمة من كل زوج من الهوائيات، وفي مصفوفة من عشرة آلاف عنصر، يصل عدد الأزواج إلى خمسين مليونًا. المرابط التقليدي يفعل ذلك تمامًا، ويزداد تعقيده كمربع عدد الهوائيات.

شعاع ضوء يدخل كوفيتة زجاجية تحتوي بخار سيزيوم، فيغيّر الحالة الداخلية للذرات — هكذا تُكتب المعلومات. بعد لحظة، يقرأ شعاع آخر هذه المعلومات من خلال كيفية امتصاص الذرات للضوء. هذا ليس قرصًا صلبًا، بل أقرب إلى دفتر ملاحظات يقلب صفحاته بنفسه. تُنشأ ثماني «صفحات» من هذا القبيل بواسطة مُنحرف صوتي-ضوئي — جهاز يحرف الشعاع باستخدام الصوت. تحمل كل صفحة حتى 3.8 بت.

لفهم مبادئ عمل الدماغ، من الضروري معرفة مخطط اتصالات الخلايا العصبية بالتفصيل — وهو ما يُعرف بالكونيكتوم. الطريقة التقليدية تشبه محاولة اكتشاف بنية نظام ري ضخم في حديقة، بفتح كل حنفية على حدة وملاحظة أين يتدفق الماء.

لا تُنتج أجهزة التصوير المقطعي صورًا جاهزة مباشرة. مبدأ عملها هو جمع العديد من "الظلال"، أي إسقاطات البنية الداخلية، من زوايا مختلفة أو باستخدام إشارات فيزيائية متنوعة. ثم تقوم الخوارزميات الرياضية بإعادة بناء صورة ثلاثية الأبعاد من هذه الإسقاطات.

الشبكات العصبية التوليدية التي تنشئ الصور تعتمد عادةً على العشوائية الرقمية. لكن مجموعة من الباحثين بنت نظامًا تولد فيه العشوائية ليس في الكود، بل في تجويف بصري صغير يحتوي على صبغة عضوية. داخل التجويف، يتفاعل الضوء وجزيئات الصبغة بقوة لدرجة أنهما يشكلان بولاريتونات — جسيمات هجينة نصف موجية.

يشبه الترانزستور الحقلي العادي صنبورًا بمقبض حساس للغاية: أدره قليلًا، يتدفق الماء. في الأعماق الباردة للحاسوب الكمومي، حيث يُبرَّد كل شيء تقريبًا إلى الصفر المطلق، يجب أن يفتح هذا الصنبور بدقة عند الأمر. لكن المهندسين في هذه الدراسة وجدوا أن الصنبور لديه خدعة: إذا ضغطت على المقبض بقوة ثم سلطت عليه ضوءًا، فإنه يعلق في وضع جديد ويبقى ثابتًا من تلقاء نفسه، دون جهد مستمر.

الحاسوب العادي يدفع الكهرباء عبر مسارات نحاسية، وكل عملية هي طابور: أولًا واحدة ثم أخرى. أما الضوء فيعرف طريقة مختلفة. في حزمة واحدة يمكن خلط عشرات الإشارات دون أن تتعارض، مثل أصوات مختلفة في جوقة تُسمع في آن واحد لكن كلٌّ منها يُسمع بوضوح. الشريحة الجديدة FieldCore تستخدم خمسة من هذه "الأصوات" دفعة واحدة. الأول: لون الحزمة؛ فالأطوال الموجية المختلفة تحمل بيانات مختلفة.

الذاكرة العادية (فلاش) تخزّن البتات في مصائد إلكترونية، لكن لا يمكن قراءتها إلا عبر سلك منفصل ومضخم. في التطوير الجديد، تلعب نفس قطعة شبه المعدن التيلوريوم دور المخزن والمصباح معًا. عند تطبيق نبضة كهربائية قصيرة عليها، تعلق الإلكترونات في الطبقة الماصدة، ويبدأ البلورة نفسها بإصدار ضوء تحت أحمر. شدة هذا الضوء تُظهر أي من المستويات الـ16 مسجّل.

الكاميرا العادية تلتقط الضوء المنعكس عن الأجسام وتبني صورةً منه. لكن إذا كان الجسم مخفيًا خلف عائق أو لا يعكس الضوء، تأتي الموجات الراديوية للنجدة: فهي تخترق الجدران والضباب، ويقوم الحاسوب باستعادة الصورة من الإشارات المتناثرة. المشكلة أن الصورة الواضحة تتطلب إشارات كثيرة ومتنوعة، مما يعني نطاقًا تردديًا واسعًا، وهو مكلف وغير عملي. اقترح الباحثون لف الموجات الراديوية، مانحين إياها زخمًا زاويًا مداريًا.

العدسة العادية تكسر الضوء دائمًا بنفس الطريقة. خصائصها مجمّدة في الزجاج إلى الأبد. والآن ظهر سطح يغيّر قواعد اللعبة أثناء العمل. صنع العلماء غشاءً رقيقًا جدًا بعناصر رنينية وغمروه بالبلورات السائلة — نفس المادة الموجودة في شاشات الهواتف. الضوء الساقط على هذا الغشاء يولّد ترددًا مضاعفًا ثلاث مرات (وهذا ما يسمى توليد التوافقي الثالث).

يحبس الحاسوب الكمومي الذرات في مصائد ضوئية، مثل كرات في حفر صغيرة. لقراءة النتيجة، يجب تصوير كل ذرة وتحديد ما إذا كانت متوهجة أم لا. سابقًا، كان تحليل هذه الصور يستغرق وقتًا طويلًا لدرجة أن الحاسوب كان يظل خاملًا. الآن، صنع المهندسون لوحة خاصة تنظر إلى الصورة وتحدد مواقع الذرات فورًا.

الأنظمة الفيزيائية تعرف كيف تحسب. إذا بنينا مشهدًا من التلال والمنخفضات بحيث تقابل أدنى نقطة الإجابة، فإن النظام سينزلق إليها من تلقاء نفسه، مثل كرة. المشكلة أن القاع غالبًا ما يكون منبسطًا، فتبقى الكرة تتحرك ببطء قبل أن تستقر. يقترح مؤلفو العمل دفع الكرة نحو المكان الصحيح قبل الانطلاق. حاسوب تقليدي يقدّر بسرعة أي الحركات في النظام هي الأبطأ، ويُعدّ الحالة الابتدائية بحيث لا تنشأ هذه الحركات البطيئة تقريبًا.

لفهم آلية عمل جهاز ما، يجب تحريكه. الطفل الذي يفكك منبهًا لا يكتفي بالنظر إلى التروس، بل يدير العجلة ويستمع إلى تغير صوت التكتكة. وكذلك العلماء: بدلاً من الملاحظة السلبية، يرسلون إشارات مختارة بعناية إلى مدخلات النظام ويراقبون الاستجابة. في الدراسة الجديدة، اقترح الباحثون طريقة تختار تلقائيًا الإشارة الأكثر "خبثًا" — تلك التي تؤدي إلى أكبر تباين في توقعات النماذج المختلفة حول النظام.

الطاهي يتذوق الحساء بعد كل رشة ملح ويقرر فورًا ما الذي سيضيفه بعد ذلك. هكذا تقريبًا يعمل الجهاز الجديد لزراعة الأغشية البلورية الرقيقة. لكن بدلًا من التذوق، لدينا صورة من المجهر الإلكتروني، وبدلًا من الطاهي، لدينا برنامج حاسوبي. عادةً، للحصول على غشاء بالتركيب المطلوب، يجب تجربة عشرات المجموعات من درجة الحرارة والضغط وتكوين الأبخرة. هذا يستغرق وقتًا طويلًا ويكلف الكثير.

الضوء الذي يمر عبر تموجات سطح الماء يرسم أنماطًا راقصة على قاع المسبح. استخدم المهندسون فكرة مشابهة لجعل الضوء يحسب. فقد صنعوا صفيحة صغيرة ذات تضاريس متموجة — كل نتوء وانخفاض يحرف الأشعة بطريقته الخاصة. عندما تسقط صورة على هذا السطح، يتجمع الضوء المار عبره في نقاط مختلفة خلفه. السطوع في كل نقطة هو الإجابة: أي رقم أو عنصر كان في الصورة.

الضوء، عند مروره عبر عدسة، ينحني قليلاً. بالنسبة للحاسوب البصري، هذا مثل مرآة مشوّهة للرسام: الصورة موجودة، لكن التفاصيل تموج. آلة إيزينغ التي تعمل بأشعة الضوء تحل مسائل مثل ترتيب الأمتعة أو مسار ساعي البريد. لكن حتى الآن، كان عليها أن تنظر فقط إلى منطقة صغيرة وأكثر استواءً في "مرآتها". أي عدسة تشوّه الضوء، مثل زجاج النافذة الذي يشوّه المنظر خارجه.

يجري الضوء عبر متاهة من المرايا ومقسمات الأشعة، لكنه في نهاية المسار لا يكتفي بالوميض على الكاشف، بل يغيّر نفسه. في الحاسوب الفوتوني الجديد، أُضيفت وحدات غير خطية إلى الدوائر الخطية المألوفة، وأصبح بإمكان الضوء تنفيذ أي عملية كمومية، وليس جزءًا منها فقط. في السابق، كانت الأجهزة الكمومية البصرية تشبه بيانو لا يمكن العزف عليه إلا بالمفاتيح البيضاء.

الضوء الصادر من مصباح عادي هو تيار من فوتونات منفردة، مثل قطرات من صنبور. لكن هناك ضوءًا تأتي فيه الفوتونات في أزواج، كأنها توأمان يمشيان معًا. هذا الضوء المترابط كان مطلوبًا منذ زمن لقياس المسافات وتصوير الأجسام المخفية خلف الزوايا. لكن مصادر هذا الضوء كانت إما باهتة جدًا أو ومضاتها قصيرة جدًا بحيث لا تستطيع الكاشفات العادية التقاطها.

داخل كل خلية تجري تفاعلات كيميائية باستمرار، وكأنها مطبخ صغير حيث تعمل البروتينات كطهاة تحضّر المواد الضرورية. لكن رؤية كيف يطبخ الطاهي بالضبط تعوقها حشود الجزيئات الأخرى حوله.

الخلايا تتنفس. تحتاج إلى الأكسجين، وتأخذه من الدم الذي يتدفق عبر الأوعية الدقيقة. إذا كان تدفق الدم ضعيفًا أو كان الأكسجين قليلًا، تبدأ الخلايا بالاختناق. من المهم للأطباء رؤية ذلك في أقرب وقت ممكن. ولكن كيف ننظر إلى الأنسجة الحية دون قطعها؟ الجهاز الجديد يفعل ذلك بطريقتين في وقت واحد.

النبضة الضوئية في الألياف البصرية تشبه طلقة مسدس البدء: قصيرة وحادة، لا يمكن الخلط بينها وبين الصمت. هذه هي النبضات التي يُصدرها الخلية العصبية الاصطناعية الجديدة، المبنية على شريحة سيليكون. وهي مصنوعة من بلورة فوسفيد الغاليوم — وهي مادة قادرة على الاهتزاز ونقل الضوء في آن واحد.

مؤشر الليزر يضيء بقعة منتظمة: كل موجات الضوء فيه تسير بتناغم، مثل جنود في عرض عسكري. هذا النوع من الضوء يسمى متماسكًا (coherent). لكن في الطبيعة والتقنية يوجد ضوء آخر — «أشعث»، حيث الموجات غير منسقة، مثل حشد في سوق. يسمى ضوءًا متماسكًا جزئيًا (partially coherent). لفترة طويلة كان يُعتبر مجرد إزعاج، لكن اكتُشف مؤخرًا أنه في بعض خطوط الاتصال يعمل بشكل أفضل من الضوء المنتظم.

الكمبيوتر العادي يرى العالم مسطحًا: الأعداد بالنسبة له مجرد نقاط على خط. لكن الصورة الملونة أو المشهد ثلاثي الأبعاد يتطلب أكثر من ذلك — أربعة أعداد تصف الموضع والدوران معًا. تسمى هذه المجموعات الرباعية بالكواتيرنيونات (quaternions)، وحتى الآن كانت الإلكترونيات تتعامل معها بشكل غير مباشر، بتفكيكها إلى أجزاء ثم إعادة تجميعها. الرقاقة الجديدة تغير النهج.

ثلاجة ضخمة بحجم خزانة ملابس تُصدر أزيزًا، محافظةً على درجة حرارة داخلها أبرد من الفضاء الخارجي. في قلبها توجد شريحة سيليكونية تحتوي على حلقات فائقة التوصيل متناهية الصغر — الكيوبتات. لكن لكي تعمل الشريحة، تمتد إليها عشرات الكابلات النحاسية السميكة من درجة حرارة الغرفة. كل كابل من هذه الكابلات يعمل كباب مفتوح للثلاجة: فهو يُدخل الحرارة ويُشوِّه الإشارات الكمومية الهشة.

في غرفة مظلمة، يلتقط الرنان الضوء كما تلتقط شبكة العنكبوت قطرات الندى. تندفع نبضة ليزرية إلى الداخل، فتبدأ الغشاء الميكانيكي بالاهتزاز بتناغم، تاركًا أثرًا في نسيج النظام ذاته. هكذا تولد الذاكرة: ليس في خلية سيليكونية، بل في رقصة الفوتونات والفونونات. البصريات الميكانيكية هي تفاعل الضوء مع الاهتزازات الميكانيكية لرنان دقيق.

مقياس حاسوب كمومي يشبه نسج شبكة من الضوء: كل خيط يرتجف من أنفاس الحرارة، مهددًا بتمزيق النمط الذي بالكاد يتشكل. لقد تنبأ ريتشارد فاينمان وديفيد دويتش بأن الفوتونات هي كيوبتات مثالية، لكنها بحاجة إلى مسرح: دارة قابلة للبرمجة تتلاعب بعشرات الأنماط.

المعالج الكمومي فائق التوصيل يشبه مدينة صغيرة مجهرية محبوسة في ثلاجة تبريدية: شوارع من خطوط فائقة التوصيل، وأحياء من الكيوبتات. كل ساكن يحتاج إلى الهدوء والبرودة، لكن توسيع المدينة داخل كريوستات واحد يشبه بناء ناطحات سحاب في فناء ضيق — الأسلاك تسخن الوسط، وتزداد الضوضاء، ويهدد التماسك بالانهيار.

المعالج الكمومي الواحد يشبه عازفًا منفردًا. يمكنه عزف لحن بسيط، لكنه يحتاج إلى أوركسترا كاملة لأداء سيمفونية. لحل المشكلات التي تتطلب حسابات هائلة، يجب ربط المعالجات في شبكة. ولكن كيف نجعلها تتبادل المعلومات الكمومية دون فقدان؟ في هذا العمل الجديد، اقترح المهندسون بنيةً تعتمد على مفاتيح ضوئية (أجهزة تغيّر مسار شعاع الضوء) لربط عدد كبير من المعالجات.