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

Computers hebben altijd vertrouwd op twee verschillende zaken om na te denken: een plek om informatie te verwerken en een plek om het op te slaan. Decennialang was de snelste manier om gegevens te verplaatsen het bewaren ervan in het licht van een laserstraal, terwijl de meest betrouwbare manier om ze veilig te houden het opslaan ervan in het solide, stille geheugen van een siliciumchip was. Deze splitsing creëert een flessenhals. Elke keer dat een computer gegevens moet gebruiken die in silicium zijn opgeslagen, moet hij die informatie omzetten in licht, deze verwerken en vervolgens weer terug omzetten. Dit constante schakelen verbruikt energie en vertraagt alles. Wetenschappers dromen al lang van een machine die alles in het domein van het licht houdt, waar gegevens kunnen worden geschreven, opgeslagen en gelezen zonder ooit van vorm te hoeven veranderen. De uitdaging is het vinden van een materiaal dat informatie kan vasthouden zoals een geheugenstick, maar kan reageren op licht als een spiegel, en dat allemaal zonder complexe fabricage of extreme kou.

Een team van onderzoekers heeft nu een belangrijke stap richting dit doel gezet door zich te richten op iets dat veel fundamenteler is dan silicium: een wolk van warme cesiumatomen. In een nieuwe studie hebben zij een werkend geheugentoestel gebouwd dat deze atomaire damp gebruikt om informatie direct in licht op te slaan. Ze hebben aangetoond dat deze wolk kan fungeren als het brein van een speciaal soort computer, een zogenaamde reservoircomputer, een systeem dat ontworhen is om patronen te herkennen en voorspellingen te doen. Door zorgvuldig gecontroleerde laserstralen in het gas te schijnen, waren zij in staat om getallen in de atomen te schrijven, ze daar een korte tijd vast te houden en ze vervolgens weer uit te lezen. Het systeem voerde met succes een basislogische test uit, waarmee werd bewezen dat een wolk gas kan dienen als een functioneel geheugen voor optische computing.

De kern van dit experiment is een eenvoudige glazen cel gevuld met cesiumgas, die is verwarmd tot een comfortabele kamertemperatuur. Binnen deze cel staan de atomen niet alleen stil; ze zijn in constante beweging, stuiterend tegen de wanden en tegen elkaar aan. De onderzoekers gebruiken lasers om de interne toestand van deze atomen te manipuleren. Stel je de atomen voor alsoals ze twee verschillende "verdiepingen" hebben waarop ze kunnen staan. De ene verdieping is helder en actief, terwijl de andere donker en stil is. Om informatie te schrijven, vuurt het team een sterke puls van laserlicht af die de atomen van de heldere verdieping naar de donkere verdieping duwt. Hoe meer licht ze gebruiken, hoe meer atomen ze naar beneden duwen. Dit creëert een patroon van opgeslagen informatie, waarbij het aantal atomen op de donkere verdieping een specifiek getal vertegenwoordigt. Om de informatie terug te lezen, sturen ze een veel zwakkere lichtstraal door de cel. Als veel atomen zich op de donkere verdieping verschuilen, gaat het zwakke licht er gemakkelijk doorheen. Als er weinig atomen zijn, wordt het licht geblokkeerd. Door te meten hoeveel licht er aan de andere kant uitkomt, weet de computer precies welk getal is opgeslagen.

Om dit bruikbaar te maken voor een echte computer, moesten de onderzoekers meer dan alleen één getal tegelijk opslaan. Ze bereikten dit door hun laserstraal te splitsen in acht afzonderlijke paden, als acht afzette rijstroken op een snelweg. Met behulp van een apparaat dat licht buigt met geluidsgolven, konden ze deze stralen sturen om verschillende plekken in de gascel te raken. Hierdoor konden ze naar acht verschillende "sporen" van het geheugen tegelijkertijd schrijven. Ze konden een getal naar het eerste spoor schrijven, het tweede sproon, of naar een combinatie van hen, en ze vervolgens allemaal in een fractie van een seconde uitlezen. Dit vermogen om verschillende delen van het geheugen direct te benaderen, in plaats van te wachten tot een enkele datastroom voorbijkomt, is wat het een random-access geheugen maakt, vergelijkbaar met hoe een mens naar een willekeurige pagina in een boek kan springen in plaats van telkens vanaf de eerste pagina te moeten lezen.

De onderzoekers testten dit nieuwe geheugensysteem door het te gebruiken als de basis voor een reservoircomputer. Dit type computer werkt door een input te nemen, deze te mengen door een complex web van verbindingen, en vervolgens het resultaat af te lezen. In hun opstelling was de "web" de wolk van atomen zelf. Ze voedden een stroom gegevens in het geheugen, observeerden hoe de atomen reageerden, en gebruikten vervolgens een eenvoudig wiskundig hulpmiddel om het antwoord te achterhalen. Ze vroegen het systeem om een klassieke logische puzzel op te lossen, bekend als het XOR-probleem, wat vereist dat de computer de vorige input onthoudt om de huidige te kunnen beslissen. Het systeem slaagde, waarbij het slechts ongeveer twee keer per honderd pogingen een fout maakte. Dit resultaat is significant omdat het bewijst dat een vrije-ruimte optisch geheugen, dat niet afhankelijk is van minuscule chips of glasvezellussen, complexe computationele taken kan uitvoeren.

Echter, de studie onthulde ook een duidelijke limiet aan hoe ver deze specifieke aanpak kan gaan. De informatie die in de atomen is opgeslagen, blijft niet eeuwig bestaan. Omdat de atomen bewegen en rondstuiteren, drijven ze uiteindelijk uit de laserstraal en worden ze vervangen door verse atomen die nog niet beschreven zijn. Dit betekent dat het geheugen snel vervaagt. De onderzoekers maten dat de informatie ongeveer 230 microseconden standhoudt voordat het een niveau bereikt waarop het moeilijk te lezen is. Hoewel dit snel genoeg is voor sommige taken, is het te kort voor de computer om een lange sequentie van gegevens vast te houden. Het team merkte op dat deze korte levensduur voorkwam dat het systeem diep in het verleden kon onthouden, wat de mogelijkheid beperkte om problemen op te lossen die een langetermijncontext vereisen. Ze merkten op dat hoewel het systeem goed werkte als een snelle, eenstapsdenker, het moeite had wanneer het werd gevraagd om een keten van informatie te lang vast te houden.

De onderzoekers verkenden ook of het natuurlijke gedrag van de atomen de computer slimmer kon maken. Ze hoopten dat de manier waarop de atomen licht absorberen een laag van complexiteit zou kunnen toevoegen die de computer zou helpen bij het oplossen van moeilijkere problemen. Ze ontdekten dat hoewel de atomen zich inderdaad op een niet-lineaire manier gedroegen, dit effect verrassend zwak was. De echte kracht van het systeem kwam niet van de atomen zelf, maar van hoe de onderzoekers de verbindingen tussen de verschillende geheugensporen hadden gerangschikt. De structuur van het netwerk was belangrijker dan het materiaal waarvan het gebouwd was. Dit suggereert dat voor dit type optische computer het zwaartepunt moet liggen op het ontwerpen van betere manieren om de geheugenonderdelen te verbinden, in plaats van alleen maar te zoeken naar een complexer materiaal.

Kijkend naar de toekomst zien het team een duidelijke weg naar verbetering. De grootste hindernis is de korte levensduur van het geheugen. Om dit op te lossen, stellen ze voor om een ander type glazen cel te gebruiken die voorkomt dat de atomen de wanden raken, of om snellere lasers te gebruiken om de gegevens te schrijven en te lezen voordat de atomen de kans krijgen om weg te drijven. Ze noemden ook dat toekomstige versies van deze technologie verschillende soorten atomen of lichtfrequenties zouden kunnen gebruiken die compatibel zijn met de glasvezelkabels die in de moderne telecommunicatie worden gebruikt. Voor nu is het experiment een bewijs van concept. Het laat zien dat een warme wolk gas kan worden omgevormd tot een werkend geheugen voor lichtcomputers, wat een blik biedt op een toekomst waarin gegevensverwerking volledig gebeurt met de snelheid van het licht, zonder de energiekosten van constante conversie. Het systeem is nog niet klaar om de computers in onze zakken te vervangen, maar het heeft een deur geopend naar een nieuwe manier van denken over hoe machines informatie opslaan en gebruiken.