كيف حوّلت ستانفورد الزجاج المغزلي الكمّي إلى ذاكرة ترابطية؟

الذاكرة الترابطية هي ذاكرة تستطيع استكمال نمط محفوظ انطلاقاً من إشارة جزئية أو مشوَّشة؛ كالتعرّف إلى صورة مألوفة رغم فقدان بعض تفاصيلها. وقد أظهر فريق الفيزيائي بنيامين ليف في جامعة ستانفورد هذا السلوك في شبكة مفتوحة من الذرات والضوء. واللافت أنهم لم يحاولوا التخلص من التعقيد الزجاجي المغزلي الذي يحدّ عادةً من نموذج هوبفيلد الكلاسيكي، بل جعلوه جزءاً من مورد الذاكرة نفسه. وفي نظام من 16 لفة فعالة، أبلغ الفريق عن سعة تخزين تصل إلى سبعة أضعاف حد هوبفيلد المرجعي. 14

ذرات تؤدي دور العصبونات وفوتونات تؤدي دور الوصلات

يتكوّن الجهاز من تجويف بصري متعدد الأنماط، قريب من التصميم متحد البؤرة، يضم غازات ذرية مكثفة من نوع بوز. يؤدي كل تجمع ذري محصور دور «لفة» فعالة، أو عقدة في الشبكة. أما أنماط الضوء الكثيرة داخل التجويف فتتوسط تفاعلات بين هذه اللفات؛ وفي تشبيه الشبكات العصبية، تكون التجمعات الذرية عصبونات، وأنماط التجويف هي الوصلات التشابكية بينها. 324

أهمية هذا التصميم أن الفوتونات تتيح ربط اللفات على مسافات بعيدة، لا بين الجيران فقط. والتفاعلات هنا فعلياً شاملة بين جميع العقد، ويمكن أن تحمل إشارات مختلفة، فتنتج عنها الوصلات المتنافسة أو «الإحباط» المميز للزجاج المغزلي. 29

تُشفَّر الأنماط في بنية الوصلات داخل الشبكة، ويمكن الوصول إليها بصرياً. ويستخدم الاختبار ضوء التجويف لقراءة حالتي الإدخال والإخراج، ومراقبة ما إذا كان نمط جزئي يتطور نحو ذكرى مخزنة. 2414

لماذا يصبح الزجاج المغزلي مشكلة في نموذج هوبفيلد؟

في نموذج هوبفيلد الكلاسيكي، تمثل الذكريات حالات مستقرة مفيدة في شبكة من لفات مترابطة جميعها ببعضها. لكن عند تخزين عدد كبير من الأنماط، تتنافس القيود وتظهر حالة الإحباط. عندها يتشكل عدد كبير من القيعان غير المقصودة في «مشهد الطاقة»؛ أي تدخل الشبكة في نظام الزجاج المغزلي. وفي ديناميات الاتزان، تنافس هذه القيعان الزائفة الاستدعاء الصحيح للذكريات. 28

لشبكة من 16 لفة، يعطي التقدير الحراري المألوف لهوبفيلد، البالغ تقريباً (0.14N)، مرجعاً في حدود 3.6 أنماط مخزنة. وهذا معيار نظري للمقارنة، لا وعداً بأن أي تطبيق محدود من 16 عقدة سيسترجع بالضبط 3.6 ذكريات.

تحويل القيعان الزجاجية إلى ذكريات قابلة للاستدعاء

لم يشغّل فريق ليف النظام كشبكة هوبفيلد متزنة. بل هو نظام مدفوع ومبدِّد: ضخ ضوئي خارجي يمد منظومة الذرات والفوتونات بالطاقة، في حين تسحب خسارة الفوتونات وقنوات التبديد الأخرى الطاقة منها. هذه الديناميات غير المتزنة تغيّر الحالات التي يمكن أن تكون مستقرة وقابلة للتكرار.

والنتيجة الأساسية هي أن القيعان الزجاجية التي تُعدّ غير مرغوبة في الاستدعاء المتزن يمكن أن تتحول، ضمن هذه الديناميات، إلى حالات جذب موثوقة. ويذكر الفريق سعة للذاكرة الترابطية تصل إلى سبعة أضعاف حد هوبفيلد في شبكته ذات 16 لفة. 14

وتصف التغطية المحيطة بالتجربة استدعاء نحو 12 ذكرى في إعداد من 16 لفة، مقابل مرجع هوبفيلد البالغ نحو 3.6 أنماط، مع وصول السعة إلى قرابة 25 ذكرى عند إرخاء مصائد الذرات. لكن ينبغي التعامل مع هذه الأرقام الصغيرة الحجم بوصفها قياسات برهانية مبدئية، لا قانوناً عاماً يثبت قابلية التوسع لأنظمة الذكاء الاصطناعي. 411

حركة الذرات تمنح الشبكة لدونة مؤقتة

تجمعات الذرات ليست لفات رياضية ثابتة في مكانها. فحركتها تقترن بالتفاعلات المغزلية التي تتوسطها الفوتونات: يمكن لترتيب لفات معين أن يؤثر في الحالة الحركية للسحب الذرية، ثم تعود هذه الحركة فتغيّر اتصال الشبكة.

يسمي الباحثون ذلك «مرونة» بولارونية. وعملياً، يجعل هذا الأثر الوصلات الفعالة معتمدة على نشاط الشبكة ومتغيرة مع الزمن؛ أي إن الحالات الحديثة يمكن أن تعدّل ديناميات الاستدعاء اللاحقة. ويشبّه الفريق هذه التغذية الراجعة باللدونة المشبكية قصيرة الأمد، لا بتدريب دائم أو تعلم ثابت للأوزان. 14

كما أن إرخاء المصائد يزيد قدرة الذرات على الحركة، وترتبط النتائج المعلنة بارتفاع سعة الذاكرة في هذه الحالة. لذلك لا تُعد الحركة الذرية مجرد ضوضاء تجريبية ينبغي إزالتها، بل قد تكون عنصراً حسابياً فاعلاً في هذه المنصة. 411

ما الذي أثبتته التجربة، وما الذي لم تثبته؟

تقدم التجربة مساراً عملياً لذاكرة ترابطية تعتمد على ديناميات جماعية غير متزنة بين الذرات والفوتونات، وتوفر تحكماً وتصويراً مجهريين مباشرين نسبياً لشبكة زجاج مغزلي مدفوعة ومبدِّدة. وفي عمل ذي صلة، حققت المجموعة شبكات زجاج مغزلي في تجاويف كهروديناميكا كمية تضم حتى 25 لفة فعالة. 2930

لكنها لا تثبت وجود بديل جاهز لمعالجات الرسوميات، أو الذاكرة التقليدية، أو العتاد العصبي العامل في درجة حرارة الغرفة. فالتجهيز يعتمد على ذرات فائقة البرودة، ومصائد ضوئية، وليزرات دقيقة، وفراغ عالٍ، وتجويف بصري متعدد الأنماط مستقر. كما يجب أن يشمل أي تقييم للطاقة كل هذه البنية التحتية؛ ولا تثبت الأدلة الحالية تفوقاً إجمالياً في كفاءة الطاقة لحوسبة الذكاء الاصطناعي.

مع ذلك، يظل الاتجاه البحثي مهماً لأنه يشير إلى أن الأنظمة الفيزيائية ذات الوصلات المتكيفة والديناميات الجماعية غير المتزنة قد تقدم بدائل لبعض مهام الذاكرة والتحسين الحسابي. وتشير منشورات المجموعة أيضاً إلى مواصلة البحث في الزجاجات المغزلية المدفوعة والمبدِّدة، وظواهر كمّية منها التشابك. أما ما إذا كانت هذه المكونات ستنتج ميزة حسابية عملية على نطاق واسع، فما زال سؤالاً تجريبياً مفتوحاً. 629