يمثل الفضاء العميق، وقلب المفاعل النووي، وسطح كوكب مثل المريخ، بيئات تتوقف فيها الإلكترونيات التي نعتمد عليها يومياً عن العمل ببساطة. إن الرقائق السيليكونية التي تشغل هواتفنا وحواسيبنا مبنية على حركة الشحنة الكهربائية، وهي آلية تصبح غير مستقرة عند تعرضها للحرارة الشديدة، أو المجالات المغناطيسية المكثفة، أو القصف غير المرئي للإشعاع. في هذه المناطق المعادية، يمكن للذرات نفسها التي تشكل الحاسوب أن تُزاح من مكانها، أو يمكن للتيارات الصغيرة أن تنفذ عبر حواجز لم تكن مخصصة لعبورها، مما يؤدي إلى تعطل الآلة. لعقود من الزمن، حاول المهندسون حماية هذه الأجهزة الهشة باستخدام دروع ثقيلة، لكن ذلك يضيف وزناً زائداً للمركبات الفضائية ولا يمكنه الصمود أمام الظروف الساحقة داخل مفاعل الاندماج. لطالما سعى المجتمع العلمي إلى نوع مختلف من الأجهزة، جهاز لا يعتمد على التدفق الهش للشحنة بل يستخدم بدلاً من ذلك اللف المغزلي الجوهري للإلكترونات، وهي خاصية أكثر متانة في مواجهة فوضى البيئات القاسية.

لقد أظهر فريق من الباحثين الآن نموذجاً أولياً يعمل لمثل هذه الآلة، وهي رقاقة حاسوب تعمل دون أي معالجة رقمية وتصمد في ظروف قد تدمر الإلكترونيات التقليدية. لقد بنوا جهازاً باستخدام نوع معين من المواد يسمى "المغناطيس الحديدي المضاد" (antiferromagnet)، وهي مادة تكون فيها اللفات المغناطيسية الداخلية مقفلة في نمط متقابل صلب يجعل المادة غير مرئية للمجالات المغناطيسية الخارجية. ومن خلال وضع غشاء رقيق من هذه المادة، المصنوعة من المنجنيز والإريديوم، فوق بلورة خاصة يتغير شكلها عند تطبيق جهد كهربائي، أنشأوا نظاماً يمكن فيه التحكم في الكهرباء عن طريق الإجهاد الميكانيكي بدلاً من دفع كميات كبيرة من التيار عبر الرقاقة. يسمح هذا النهج للجهاز بإجراء حسابات معقدة مباشرة على الإشارات التناظرية الخام، مثل الموجات الصوتية أو صور الكاميرا، دون الحاجة أولاً إلى تحويلها إلى الأصفار والآحاد الخاصة بالحاسوب الرقمي. والنتيجة هي معالج يمكنه التعرف على الكلام، وتحديد الأشياء، وتوجيه طائرة بدون طيار بشكل مستقل، كل ذلك أثناء تحمل درجات حرارة تصل إلى 500 كلفن، ومجالات مغناطيسية بقوة 55 تسلا، وجرعات إشعاعية من شأنها أن تحرق رقاقة قياسية فوراً.

يكمن جوهر هذا الاختراق في كيفية تعامل الجهاز مع المعلومات. فبدلاً من إجبار الإشارة على اتخاذ تنسيق رقمي جامد، ترك الباحثون الجهد التناظري الخام لموجة صوتية أو صورة يدفع المادة مباشرة إلى حالات فيزيائية مختلفة. ولأن المادة تمتلك ذاكرة تعتمد على التاريخ، فإن مقاومتها الكهربائية تتغير بطريقة معقدة وغير خطية اعتماداً على المسار الذي سلكته للوصول إلى تلك الحالة. واكتشف الفريق أنه من خلال تطبيق جهود انحياز صغيرة مختلفة على مصفوفة من هذه الأجهزة، يمكنهم إنشاء مجموعة متنوعة من الاستجابات التي تفصل وتنظم البيانات الفوضوية بشكل طبيعي. هذه العملية، التي يسمونها "التشفير ذاتي التجدد المعتمد على المدخلات" (input-modulated in-situ self-refreshing encoding)، تسمح للأجهزة باستخراج الميزات المفيدة من الإشارة فوراً، دون الحاجة إلى خطوات المعالجة الرقمية البطيئة والمستهلكة للطاقة التي تسبق عادة تعلم الآلة. يعمل الجهاز كمرشح فيزيائي، يحول تدفقاً فوضوياً من البيانات إلى نمط واضح يمكن لمصنف بسيط قراءته.

في اختباراتهم، قام الباحثون بتغذية تسجيلات صوتية خام لكلمات منطوقة مباشرة في الرقاقة. ودون أي تحويل رقمي أو تنظيف مستهلك للوقت للإشارة، نجح الجهاز في تحديد الكلمات بدقة بلغت 99.8 بالمائة. كما اختبروا النظام ببيانات بصرية، حيث طلبوا منه التعرف على الإيماءات والأشياء في صور ضوضائية ومنخفضة الجودة تحاكي الرؤية الضعيفة التي توجد غالباً في الفضاء أو أثناء العواصف الشمسية. تمكنت الرقاقة من التمييز بين حركات اليد المختلفة وتحديد الأهداف البصرية بدقة تقارب الكمال، حتى عندما كانت الصور مشوشة أو تالفة بسبب التداخل. هذه القدرة حاسمة لأنها تعني أن مركبة فضائية أو روبوتاً يمكنه اتخاذ قرارات حاسمة في الوقت الفعلي، والاستجابة لبيئته في اللحظة التي يرى أو يسمع فيها شيئاً ما، بدلاً من انتظار إرسال البيانات إلى الأرض لمعالجتها.

لإثبات أن هذه التكنولوجيا يمكن استخدامها للملاحة في العالم الحقيقي، دمج الفريق الرقاقة في طائرة بدون طيار صغيرة. طارت الطائرة بشكل مستقل، مستخدمة كاميرا لرصد علامات الأرض ورقاقة المغناطيس الحديدي المضاد لتقرر أين تذهب بعد ذلك. عالج النظام المدخلات البصرية مباشرة، مترجماً الأنماط التي رآها إلى أوامر طيران مثل "انعطف يساراً"، أو "اهبط"، أو "هبط". نجحت الطائرة في ملاحة مسار، وتجنب العقبات، والهبوط بدقة، كل ذلك بينما تعمل الرقاقة بسرعة تفوق بكثير المعالجات التقليدية وتستخدم جزءاً ضئيلاً جداً من الطاقة. استهلك النظام بأكمله حوالي 0.2 فيمتوجول فقط لكل عملية واحدة، وهو مستوى من الكفاءة أفضل بعدة مراتب من الأنظمة الرقمية الحالية.

ولعل الجانب الأكثر إثارة في هذا العمل هو الصمود الشديد للأجهزة. فقد عرض الباحثون الرقاقة العارية لظروف يستحيل عملياً على الإلكترونيات القياسية النجاة منها. لقد عرضوها لمجالات مغناطيسية بقوة 55 تسلا، وهي أقوى من مجال الأرض بمليون مرة، واستمر الجهاز في العمل دون خطأ. كما سخنوها إلى 500 كلفن وقذفوها بجرعات إشعاعية بلغت 1.5 مليون راد، وهي مستويات من شأنها أن تدمر بوابات المنطق في حاسوب تقليدي فوراً. وحتى بعد هذه التجارب القاسية، احتفظت الرقاقة بقدرتها على معالجة المعلومات والتعرف على الأنماط. وهذا يشير إلى أن الفيزياء الأساسية للمادة المغناطيسية الحديدية المضادة تحميها من الاضطرابات التي تسبب عادة الفشل الإلكتروني، مما يوفر مساراً جديداً للاستكشاف في أكثر زوايا كوننا قسوة.

تمتد تداعيات هذا العمل إلى ما هو أبعد من مجرد بناء حواسيب أفضل للفضاء. فمن خلال إظهار أن المهام المعقدة مثل التعرف على الكلام والملاحة المستقلة يمكن أداؤها مباشرة في المجال التناظري، فتح الباحثون الباب أمام فئة جديدة من الحوسبة التي تتسم بطبيعتها بالسرعة والكفاءة والصلابة. لا يحتاج الجهاز إلى درع أو تبريد أو حماية؛ فهو يعمل ببساطة بسبب الطريقة التي تترتب بها ذراته. يمكن لهذا أن يحدث ثورة في كيفية تصميم الأنظمة لمهام الفضاء العميق، ومفاعلات الاندماج النووي، وتجارب الفيزياء عالية الطاقة، وهي أماكن تكون فيها البيئة أقسى من أن تتحملها رقائق السيليكون الهشة التي نعتمد عليها حالياً. لقد انتقل الفريق من النظرية إلى نموذج أولي عامل، مثبتاً أن الحاسوب يمكن بناؤه من مواد تزدهر في نفس الظروف التي تدمر كل شيء آخر.

يمثل هذا الإنجاز تحولاً كبيراً في كيفية تفكيرنا في الحوسبة في البيئات القاسية. لسنوات، كان الحل للظروف القاسية هو بناء جدران أكثر سمكاً ودروعاً أثقل، وهي استراتيجية أصبحت غير مستدامة مع دفع المهمات نحو المجهول. يشير هذا النهج الجديد إلى أن الحل يكمن في تغيير المادة نفسها. فمن خلال استخدام اللف المغزلي للإلكترونات بدلاً من شحنتها، والاستفادة من الذاكرة الطبيعية للمواد المغناطيسية، أنشأ الباحثون معالجاً ليس فقط مقاوماً للضرر، بل مصمماً بشكل أساسي للعمل حيث لا يستطيع الآخرون. إن القدرة على أداء مهام الذكاء العالي بهذا القدر المنخفض من الطاقة وهذه السرعة العالية، مع النجاة من أقسى الظروف التي يمكن تخيلها، تمثل قفزة حقيقية في قدرتنا على استكشاف وفهم أكثر حدود عالمنا وأبعدها تطرفاً.