Optically Writable Atomic Vapor Memory as a Substrate for Optical Reservoir Computing

कंप्यूटर हमेशा से सोचने के लिए दो अलग-अलग चीजों पर निर्भर रहे हैं: सूचना को प्रोसेस करने के लिए एक स्थान और उसे संग्रहीत करने के लिए एक स्थान। दशकों से, डेटा को स्थानांतरित करने का सबसे तेज़ तरीका उसे लेजर बीम की रोशनी में रखना रहा है, जबकि इसे सुरक्षित रखने का सबसे विश्वसनीय तरीका इसे सिलिकॉन चिप की ठोस, शांत मेमोरी में संग्रहीत करना रहा है। यह विभाजन एक बाधा (बॉटलनेक) पैदा करता है। हर बार जब किसी कंप्यूटर को सिलिकॉन में संग्रहीत डेटा का उपयोग करने की आवश्यकता होती है, तो उसे उस जानकारी को प्रकाश में बदलना पड़ता है, उसे प्रोसेस करना पड़ता है, और फिर से उसे वापस बदलना पड़ता है। यह निरंतर स्विचिंग ऊर्जा की खपत करती है और सब कुछ धीमा कर देती है। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से एक ऐसे मशीन का सपना देखा है जो सब कुछ प्रकाश के क्षेत्र में ही रखे, जहाँ डेटा को बिना अपना रूप बदले लिखा, संग्रहीत और पढ़ा जा सके। चुनौती एक ऐसी सामग्री खोजने की थी जो मेमोरी स्टिक की तरह जानकारी को थाम सके लेकिन दर्पण की तरह प्रकाश पर प्रतिक्रिया दे सके, वह भी जटिल विनिर्माण या अत्यधिक ठंड की आवश्यकता के बिना।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक गर्म सीज़ियम परमाणुओं के बादल की ओर मुड़कर इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। एक नए अध्ययन में, उन्होंने एक कार्यशील मेमोरी डिवाइस बनाया है जो इस परमाणु वाष्प का उपयोग सीधे प्रकाश में सूचना को संग्रहीत करने के लिए करता है। उन्होंने प्रदर्शित किया कि यह बादल एक विशेष प्रकार के कंप्यूटर, जिसे 'रिजर्वायर कंप्यूटर' कहा जाता है, का मस्तिष्क बन सकता है—एक ऐसा सिस्टम जिसे पैटर्न पहचानने और भविष्यवाणी करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। गैस में सावधानीपूर्वक नियंत्रित लेजर बीमों को चमकाकर, वे परमाणुओं में नंबर लिख सके, उन्हें कुछ समय के लिए वहां रख सके और फिर उन्हें वापस पढ़ सके। सिस्टम ने सफलतापूर्वक एक बुनियादी लॉजिक टेस्ट पास किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि गैस का एक बादल ऑप्टिकल कंप्यूटिंग के लिए एक कार्यात्मक मेमोरी के रूप में काम कर सकता है।

इस प्रयोग का मुख्य केंद्र एक साधारण कांच की सेल है जो सीज़ियम गैस से भरी है, जिसे कमरे के आरामदायक तापमान तक गर्म किया गया है। इस सेल के भीतर, परमाणु केवल स्थिर नहीं बैठे हैं; वे निरंतर गति की अवस्था में हैं, दीवारों और एक-दूसरे से टकरा रहे हैं। शोधकर्ता इन परमाणुओं की आंतरिक स्थिति को नियंत्रित करने के लिए लेजर का उपयोग करते हैं। कल्पना कीजिए कि परमाणुओं के पास दो अलग-अलग "फर्श" (फ्लोर) हैं जिन पर वे खड़े हो सकते हैं। एक फर्श उज्ज्वल और सक्रिय है, जबकि दूसरा अंधेरा और शांत है। जानकारी लिखने के लिए, टीम लेजर प्रकाश का एक मजबूत पल्स चलाती है जो परमाणुओं को उज्ज्वल फर्श से नीचे अंधेरे फर्श पर धकेल देता है। वे जितना अधिक प्रकाश का उपयोग करते हैं, उतने ही अधिक परमाणुओं को वे नीचे धकेलते हैं। यह संग्रहीत जानकारी का एक पैटर्न बनाता है, जहाँ अंधेरे फर्श पर मौजूद परमाणुओं की संख्या एक विशिष्ट संख्या का प्रतिनिधित्व करती है। जानकारी को वापस पढ़ने के लिए, वे सेल के माध्यम से बहुत कमजोर बीम भेजते हैं। यदि कई परमाणु अंधेरे फर्श पर छिपे हुए हैं, तो कमजोर प्रकाश आसानी से पार हो जाता है। यदि वहां कम परमाणु हैं, तो प्रकाश अवरुद्ध हो जाता है। यह मापकर कि दूसरी ओर से कितना प्रकाश निकल रहा है, कंप्यूटर जान जाता है कि कौन सा नंबर संग्रहीत किया गया था।

इसे एक वास्तविक कंप्यूटर के लिए उपयोगी बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को एक समय में एक से अधिक नंबर संग्रहीत करने की आवश्यकता थी। उन्होंने अपने लेजर बीम को आठ अलग-अलग रास्तों में विभाजित करके इसे हासिल किया, जैसे हाईवे के आठ अलग-अलग लेन। ध्वनि तरंगों से प्रकाश को मोड़ने वाले एक उपकरण का उपयोग करके, वे इन बीमों को गैस सेल के भीतर विभिन्न स्थानों पर निर्देशित कर सके। इसने उन्हें आठ अलग-अलग "रेल" में एक साथ डेटा लिखने की अनुमति दी। वे पहले रेल पर, दूसरे रेल पर, या उनके किसी भी संयोजन पर नंबर लिख सकते थे, और फिर उन सभी को एक सेकंड के अंश में वापस पढ़ सकते थे। मेमोरी के विभिन्न हिस्सों तक तुरंत पहुँचने की यह क्षमता, एक एकल डेटा स्ट्रीम के गुजरने का इंतजार करने के बजाय, इसे एक 'रैंडम-एक्सेस मेमोरी' बनाती है, ठीक वैसे ही जैसे एक इंसान हर बार पहले पेज से पढ़ने के बजाय किसी किताब के किसी भी पेज पर सीधे जा सकता है।

शोधकर्ताओं ने इस नए मेमोरी सिस्टम का परीक्षण एक रिजर्वायर कंप्यूटर की नींव के रूप में उपयोग करके किया। इस प्रकार का कंप्यूटर एक इनपुट लेने, उसे कनेक्शनों के एक जटिल जाल के माध्यम से मिलाने और फिर परिणाम को पढ़ने के तरीके से काम करता है। उनके सेटअप में, वह "जाल" परमाणुओं का बादल ही था। उन्होंने मेमोरी में डेटा का एक प्रवाह डाला, देखा कि परमाणु कैसे प्रतिक्रिया करते हैं, और फिर एक सरल गणितीय उपकरण का उपयोग करके उत्तर निकाला। उन्होंने सिस्टम को XOR समस्या नामक एक क्लासिक लॉजिक पहेली को हल करने के लिए कहा, जिसके लिए वर्तमान निर्णय लेने हेतु पिछले इनपुट को याद रखना आवश्यक होता है। सिस्टम सफल रहा, और हर सौ प्रयासों में से लगभग दो बार गलती की। यह परिणाम महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सिद्ध करता है कि एक फ्री-स्पेस ऑप्टिकल मेमोरी, जो छोटे चिप्स या फाइबर ऑप्टिक लूप पर निर्भर नहीं है, जटिल गणनात्मक कार्य कर सकती है।

हालाँकि, अध्ययन ने एक स्पष्ट सीमा भी उजागर की कि यह विशिष्ट दृष्टिकोण कितनी दूर तक जा सकता है। परमाणुओं में संग्रहीत जानकारी हमेशा के लिए नहीं रहती। क्योंकि परमाणु घूम रहे हैं और टकरा रहे हैं, वे अंततः लेजर बीम से बाहर निकल जाते हैं और उनकी जगह नए परमाणु ले लेते हैं जिनमें कुछ नहीं लिखा गया है। इसका अर्थ है कि मेमोरी तेजी से मिट जाती है। शोधकर्ताओं ने मापा कि जानकारी लगभग 230 माइक्रोसेकंड तक रहती है, जिसके बाद यह उस स्तर तक गिर जाती है जहाँ इसे पढ़ना कठिन हो जाता है। हालांकि यह कुछ कार्यों के लिए पर्याप्त तेज़ है, लेकिन यह कंप्यूटर के लिए डेटा के लंबे अनुक्रम को थामे रखने के लिए बहुत कम है। टीम ने पाया कि इस अल्प जीवनकाल ने सिस्टम को अतीत में गहराई तक याद रखने से रोका, जिससे लंबी अवधि के संदर्भ वाली समस्याओं को हल करने की इसकी क्षमता सीमित हो गई। उन्होंने उल्लेख किया कि जबकि सिस्टम एक त्वरित, एक-चरणीय विचारक के रूप में अच्छा काम करता था, जब इसे सूचना की एक लंबी श्रृंखला को बहुत लंबे समय तक थामने के लिए कहा गया, तो इसे संघर्ष करना पड़ा।

शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि क्या परमाणुओं के स्वाभाविक व्यवहार से कंप्यूटर अधिक स्मार्ट बन सकता है। उन्हें उम्मीद थी कि जिस तरह से परमाणु प्रकाश को अवशोषित करते हैं, वह जटिलता की एक परत जोड़ सकता है जो कंप्यूटर को कठिन समस्याएं हल करने में मदद करे। उन्होंने पाया कि हालांकि परमाणु एक गैर-रेखीय (नॉन-लीनियर) तरीके से व्यवहार करते थे, लेकिन यह प्रभाव आश्चर्यजनक रूप से कमजोर था। सिस्टम की असली शक्ति परमाणुओं से नहीं, बल्कि इस बात से आई कि शोधकर्ताओं ने विभिन्न मेमोरी लेन के बीच कनेक्शन को कैसे व्यवस्थित किया। नेटवर्क की संरचना उस सामग्री से अधिक महत्वपूर्ण थी जिससे इसे बनाया गया था। यह सुझाव देता है कि इस प्रकार के ऑप्टिकल कंप्यूटर को वास्तव में शक्तिशाली बनाने के लिए, ध्यान केवल अधिक जटिल सामग्री खोजने के बजाय, मेमोरी भागों को जोड़ने के बेहतर तरीकों को डिजाइन करने पर होना चाहिए।

आगे देखते हुए, टीम ने सुधार के लिए एक स्पष्ट मार्ग देखा है। मुख्य बाधा मेमोरी का छोटा जीवनकाल है। इसे ठीक करने के लिए, वे एक अलग प्रकार की ग्लास सेल का उपयोग करने का सुझाव देते हैं जो परमाणुओं को दीवारों से टकराने से रोकती है, या डेटा को लिखने और पढ़ने के लिए तेज़ लेजर का उपयोग करने का सुझाव देते हैं ताकि परमाणु बह जाने से पहले ही काम हो जाए। उन्होंने यह भी उल्लेख किया कि इस तकनीक के भविष्य के संस्करणों में अलग-अलग प्रकार के परमाणुओं या प्रकाश आवृत्तियों का उपयोग किया जा सकता है जो आधुनिक दूरसंचार में उपयोग किए जाने वाले फाइबर ऑप्टिक केबलों के अनुकूल हों। फिलहाल, यह प्रयोग एक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' है। यह दिखाता है कि गैस के एक गर्म बादल को प्रकाश-आधारित कंप्यूटरों के लिए एक कार्यशील मेमोरी में बदला जा सकता है, जो एक ऐसे भविष्य की झलक देता है जहाँ डेटा प्रोसेसिंग पूरी तरह से प्रकाश की गति में होती है, बिना निरंतर रूपांतरण की ऊर्जा लागत के। यह सिस्टम अभी हमारे जेबों में मौजूद कंप्यूटरों को बदलने के लिए तैयार नहीं है, लेकिन इसने मशीनों के सोचने और जानकारी का उपयोग करने के तरीके के बारे में सोचने के लिए एक नया द्वार खोल दिया है।