ظهور الضوئيات المتكاملة: كيف يغير الضوء وجه الحوسبة؟

الحوسبة الضوئية هي تقنية ثورية لديها القدرة على تغيير طريقة تفكيرنا في الحوسبة. على عكس أجهزة الكمبيوتر التقليدية ، التي تستخدم الإشارات الكهربائية لإجراء العمليات الحسابية ، تستخدم الحوسبة الضوئية الضوء. هذا يسمح بتكرار أعلى بكثير لمعالجة البيانات ، مما يجعل من الممكن إجراء عمليات حسابية كبيرة ومعقدة بسرعات عالية بشكل لا يصدق.

تعد الحوسبة الضوئية إحدى التقنيات الرئيسية وراء الحوسبة الضوئية ، والتي تستخدم الفوتونات لإجراء العمليات الحسابية بدلاً من الإلكترونات. يسمح هذا بنهج أكثر كفاءة وتركيبًا للحساب ، حيث يمكن التلاعب بالفوتونات والتحكم فيها بسهولة لأداء مجموعة واسعة من المهام.

تقنية أساسية أخرى في مجال الحوسبة الضوئية هي الضوئيات المتكاملة. يشير هذا إلى تكامل المكونات الضوئية في جهاز واحد مضغوط ، مما يسمح بنهج أكثر كفاءة وقابلية للتطوير للحساب.

بشكل عام ، فإن استخدام هذه التقنيات لديه القدرة على إحداث ثورة في طريقة تفكيرنا في الحساب ومعالجة البيانات. باستخدام الحوسبة الضوئية ، يمكننا حل المشكلات التي تتجاوز حاليًا قدرات حتى أجهزة الكمبيوتر الأكثر تقدمًا والقيام بذلك بسرعات لا يمكن تصورها باستخدام تقنيات اليوم.

اكتشف الباحثون طريقة لتشغيل بوابات منطقية ضوئية ، وهي أسرع مليون مرة من بوابات المنطق الإلكترونية التقليدية الموجودة في معالجات الكمبيوتر التقليدية. عادة ما يتم تشغيل هذه البوابات المنطقية ، والتي تتكون من وظائف منطقية وتشغيل إجراءات ثنائية ، إلكترونيًا. ومع ذلك ، تستخدم الطريقة الجديدة الضوء لأداء نفس الوظائف ، مما يؤدي إلى سرعات معالجة أسرع بشكل ملحوظ.

تم العثور على هذا في دراسة أجريت في جامعة AALTO و صدر في مجلة Science Advances.

ما هي الحوسبة الضوئية؟

الكمبيوتر البصري ، المعروف أيضًا باسم الكمبيوتر الضوئي ، هو جهاز يقوم بإجراء عمليات حسابية رقمية باستخدام الفوتونات في الضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء (IR) بدلاً من التيار الكهربائي. تبلغ سرعة التيار الكهربائي 10٪ فقط من سرعة الضوء. كان أحد الأسباب التي أدت إلى تطوير الألياف الضوئية هو تقييد معدل نقل البيانات عبر مسافات طويلة. قد يتم إنشاء جهاز كمبيوتر يمكنه إجراء عمليات أسرع بعشر مرات أو أكثر من الكمبيوتر الإلكتروني التقليدي من خلال تنفيذ بعض مزايا الشبكات المرئية و / أو شبكات الأشعة تحت الحمراء على الجهاز وحجم المكون.

على عكس التيارات الكهربائية ، تتدفق الأشعة المرئية والأشعة تحت الحمراء عبر بعضها البعض دون تفاعل. حتى عندما تكون مقيدة ببعدين أساسيين ، يمكن تسليط العديد (أو العديد) من حزم الليزر بحيث تتقاطع مساراتها ، لكن لا يوجد تداخل بين الحزم. تعتبر الأسلاك ذات الأبعاد الثلاثة مهمة لأنه يجب توجيه التيارات الكهربائية حول بعضها البعض. نتيجة لذلك ، قد يكون الكمبيوتر البصري أيضًا أصغر حجمًا بالإضافة إلى كونه أسرع بكثير من الكمبيوتر الإلكتروني.

على الرغم من أن بعض المهندسين يتوقعون أن الحوسبة الضوئية ستنتشر على نطاق واسع في المستقبل ، يتفق معظم الخبراء على أن التغييرات ستحدث تدريجيًا في مجالات محددة. هناك بعض الدوائر الضوئية المتكاملة التي تم تطويرها وإنتاجها. (تم استخدام الدوائر الضوئية في بناء كمبيوتر واحد كامل الميزات على الأقل ، وإن كان كبيرًا إلى حد ما). من خلال تقسيم الصورة إلى فوكسل ، يمكن بث فيديو ثلاثي الأبعاد كامل الحركة عبر شبكة من الألياف. على الرغم من أن نبضات البيانات المستخدمة للتحكم في بعض الأجهزة الضوئية هي ضوء مرئي أو موجات الأشعة تحت الحمراء ، إلا أن التيارات الإلكترونية يمكنها مع ذلك تشغيلها.

الاتصالات الرقمية ، حيث ينتشر نقل بيانات الألياف الضوئية بالفعل ، هي المكان الذي تقدمت فيه التكنولوجيا البصرية أكثر من غيرها. الهدف النهائي هو ما يسمى بالشبكة الضوئية ، حيث يرتبط كل مصدر ووجهة فقط بالفوتونات المرئية والأشعة تحت الحمراء. تستخدم طابعات الليزر وآلات التصوير والماسحات الضوئية ومحركات الأقراص المضغوطة وأقاربهم جميعًا التكنولوجيا البصرية. ومع ذلك ، فإن كل هذه الأجهزة تعتمد إلى حد ما على الدوائر والأجزاء الإلكترونية العادية ؛ لا أحد منهم بصري بالكامل.

كيف تعمل الحوسبة الضوئية؟

تشبه الحوسبة الضوئية الحوسبة التقليدية من حيث أنها تستخدم بوابات منطقية وإجراءات ثنائية لإجراء العمليات الحسابية. ومع ذلك ، فإنه يختلف في طريقة إجراء هذه الحسابات. في الحوسبة الضوئية ، يتم إنشاء الفوتونات بواسطة مصابيح LED والليزر وأجهزة أخرى وتُستخدم لتشفير البيانات بطريقة مشابهة للإلكترونات في الحوسبة التقليدية. هذا يسمح بحساب أسرع وأكثر كفاءة ، حيث يمكن التلاعب بالفوتونات والتحكم فيها بسهولة لأداء مجموعة واسعة من المهام.

---

تكتسب حوسبة إنترنت الأشياء والحوسبة المتطورة زخمًا في العديد من الصناعات

---

مع الهدف النهائي المتمثل في تطوير جهاز كمبيوتر ضوئي ، هناك دراسات تركز على تصميم وتنفيذ الترانزستورات الضوئية. يمكن حجب شعاع الضوء بكفاءة بواسطة شاشة مستقطبة تدور 90 درجة. تُستخدم أيضًا المكونات العازلة التي لديها القدرة على العمل كمستقطبات لإنشاء ترانزستورات بصرية. على الرغم من بعض الصعوبات التقنية ، فإن البوابات المنطقية البصرية ممكنة بشكل أساسي. سوف تتكون من عنصر تحكم واحد والعديد من الحزم التي من شأنها أن توفر النتائج المنطقية الصحيحة.

تتمثل إحدى الميزات الرئيسية لأجهزة الكمبيوتر الإلكترونية التقليدية في أنه يمكن استخدام قنوات السيليكون والأسلاك النحاسية لتوجيه حركة الإلكترونات والتحكم فيها. هذا يسمح بحساب فعال وموثوق.

في الحوسبة الضوئية ، يمكن تحقيق تأثير مماثل باستخدام الجسيمات النانوية البلازمية. يمكن لهذه الجسيمات أن توجه وتتحكم في حركة الفوتونات ، مما يسمح لها بالدوران في الزوايا والاستمرار في مسارها دون فقد كبير للطاقة أو التحول إلى الإلكترونات. هذا يجعل من الممكن إنشاء أجهزة حوسبة ضوئية مدمجة وفعالة.

تتشابه معظم أجزاء الرقاقة الضوئية مع شرائح الكمبيوتر التقليدية ، حيث تُستخدم الإلكترونات لمعالجة المعلومات وتحويلها. ومع ذلك ، فإن الوصلات البينية ، التي تُستخدم لنقل المعلومات بين مناطق مختلفة من الرقاقة ، قد تغيرت بشكل كبير.

في الحوسبة الضوئية ، يستخدم الضوء بدلاً من الإلكترونات لنقل المعلومات. وذلك لأنه يمكن احتواء الضوء بسهولة وله ميزة فقدان معلومات أقل أثناء السفر. هذا مفيد بشكل خاص في المواقف التي قد ترتفع فيها درجة حرارة الوصلات البينية ، مما قد يؤدي إلى إبطاء حركة الإلكترونات. باستخدام الضوء لنقل المعلومات ، من الممكن إنشاء أجهزة حوسبة ضوئية أسرع وأكثر كفاءة.

يأمل الباحثون أن يؤدي استخدام الضوء لنقل المعلومات في الحوسبة الضوئية إلى تطوير حواسيب الإكساسكيل. أجهزة الكمبيوتر Exascale قادرة على إجراء مليارات العمليات الحسابية كل ثانية ، وهو أسرع 1000 مرة من أسرع الأنظمة الحالية. باستخدام الضوء للاتصال ، من الممكن تحقيق هذا المستوى من سرعة المعالجة ، مما ينتج عنه أجهزة حوسبة أكثر قوة وكفاءة.

مزايا وعيوب الحوسبة الضوئية

مزايا الحوسبة الضوئية هي:

• تعد الكثافة السريعة ، والحجم الصغير ، والحد الأدنى من تسخين الوصلات ، والسرعة العالية ، والتحجيم الديناميكي وإعادة التشكيل إلى شبكات / طوبولوجيا أصغر / أكبر ، وقدرة واسعة على الحوسبة المتوازية ، وتطبيقات الذكاء الاصطناعي مجرد عدد قليل من الفوائد الأساسية لأجهزة الكمبيوتر الضوئية.
• الترابط البصري له فوائد مختلفة بالإضافة إلى السرعة. فهي ليست عرضة لدوائر كهربائية قصيرة وهي محصنة ضد التداخل الكهرومغناطيسي.
• إنها توفر نقلًا منخفض الخسارة وكثيرًا من النطاق الترددي ، مما يمكّن قنوات متعددة من الاتصال في وقت واحد.
• تعد معالجة البيانات على المكونات الضوئية أقل تكلفة وأبسط من معالجة البيانات على المكونات الإلكترونية.
• لا تتفاعل الفوتونات مع بعضها البعض بالسرعة التي تتفاعل بها الإلكترونات لأنها غير مشحونة. يوفر هذا فائدة إضافية لأن التشغيل المزدوج الكامل يسمح بمرور حزم الضوء عبر بعضها البعض.
• بالمقارنة مع المواد المغناطيسية ، يمكن الوصول إلى المواد البصرية بشكل أكبر ولها كثافة تخزين أعلى.

عيوب الحوسبة الضوئية هي:

• من الصعب تطوير بلورات فوتونية.
• بسبب تفاعل عدة إشارات ، فإن الحساب عملية معقدة.
• النماذج الأولية للكمبيوتر البصري الحالية ضخمة الحجم. 

الحوسبة الضوئية مقابل الحوسبة الكمومية

الحوسبة الضوئية والحوسبة الكمومية هما تقنيتان مختلفتان لديهما القدرة على إحداث ثورة في طريقة تفكيرنا في الحوسبة ومعالجة البيانات.

تستخدم الحوسبة الضوئية الضوء لإجراء العمليات الحسابية ومهام معالجة البيانات ، بينما تستخدم الحوسبة الكمومية مبادئ ميكانيكا الكم لإجراء العمليات الحسابية.

---

أجهزة كمبيوتر Qudit تفتح إمكانيات لا حصر لها من خلال تجاوز النظام الثنائي

---

أحد الاختلافات الرئيسية بين التقنيتين هو السرعة التي تمكنهما من إجراء العمليات الحسابية. الحوسبة الضوئية قادرة على العمل بسرعات أعلى بكثير من الحوسبة الإلكترونية التقليدية وهي أيضًا أسرع من الحوسبة الكمومية في بعض الحالات. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الفوتونات ، وهي جزيئات الضوء المستخدمة في الحوسبة الضوئية ، يمكن معالجتها والتحكم فيها بسهولة لأداء مجموعة واسعة من المهام.

من ناحية أخرى ، تمتلك الحوسبة الكمومية القدرة على حل بعض المشكلات التي تتجاوز حاليًا قدرات حتى أجهزة الكمبيوتر الأكثر تقدمًا. ويرجع ذلك إلى الخصائص الفريدة لميكانيكا الكم ، والتي تسمح بإنشاء حالات معقدة للغاية ومتشابكة يمكن استخدامها لإجراء العمليات الحسابية.

بشكل عام ، تمتلك كل من الحوسبة الضوئية والحوسبة الكمومية القدرة على إحداث ثورة في مجال الحوسبة ومعالجة البيانات. في حين أن كلتا التقنيتين لديهما نقاط قوة وقيود مختلفة ، فإن كلا التقنيتين يقدمان إمكانيات جديدة ومثيرة لحل المشكلات المعقدة وتعزيز فهمنا للعالم.

شركات الحوسبة البصرية

إذا كنت مهتمًا بمعرفة المزيد ، فقد قمنا بتجميع القائمة الأكثر شمولاً لأفضل شركات الحوسبة الكمومية المتوفرة!

تقنيات Xanadu الكم

أعمال التكنولوجيا الكندية تقنيات Xanadu الكم هي مورد رئيسي لأجهزة الحوسبة الكمومية الضوئية.

الهدف من شركة Xanadu ، وهي شركة تأسست في عام 2016 من قبل الرئيس التنفيذي كريستيان ويدبروك ، هو إنشاء أجهزة كمبيوتر كمية يمكن الوصول إليها ومفيدة للجميع. تبنت الشركة إستراتيجية متكاملة لتحقيق هذا الهدف ، وتقوم بتطوير الأجهزة والبرامج والمشاركة في الأبحاث المتطورة مع الشركاء المختارين.

بمساعدة مكتبة تطبيقات Strawberry Fields وخدمة Xanadu Quantum Cloud (XQC) ، يمكن للشركات والأكاديميين الآن البدء في استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية الضوئية الخاصة بـ Xanadu.

من خلال إنشاء PennyLane ، وهو مشروع مفتوح المصدر نما ليصبح مكتبة برمجيات رائدة بين الباحثين والمطورين الكميين ، تعمل الشركة أيضًا على تطوير مجال التعلم الآلي الكمي (QML).

بسي كوانتوم

هدف بسي كوانتوم، مجموعة من علماء فيزياء الكم ، وأشباه الموصلات ، والأنظمة ، ومهندسي البرمجيات ، ومهندسي النظم ، وغيرهم لإنشاء أول كمبيوتر كمي مفيد باستخدام النهج الفوتوني لأنهم يعتقدون أنه يوفر فوائد تقنية بالمقياس المطلوب لتصحيح الخطأ. لقد ولّدوا اهتمامًا إعلاميًا من خلال التركيز على كمبيوتر كمي بمليون كيلوبت.

تأسست PsiQuantum في عام 2015 من قبل جيريمي أوبراين وتيري رودولف وبيت شادبولت ومارك طومسون ويقع مقرها الرئيسي في وادي السيليكون ، مركز الابتكار التكنولوجي.

حوسبة ORCA

استنادًا إلى بحث من مجموعة البصريات الكمومية فائقة السرعة وغير الخطية التابعة للبروفيسور إيان والمسلي في جامعة أكسفورد ، ORCA تأسست في لندن من قبل العلماء ورجال الأعمال المهرة. أدرك إيان والمسلي ، وجوش نون ، وكريس كاكزماريك في المجموعة أن الذكريات الكمومية "قصيرة المدى" قد تزامن الأنشطة الضوئية وتجعل الحوسبة الكمومية قابلة للتطوير بشكل حقيقي.

من خلال الاستفادة من الذاكرة الكمية ORCA لمعالجة مشكلة التكرار هذه ، يفتح ORCA إمكانات الضوئيات الكمومية دون المقايضات الشديدة للطرق المتنافسة.

تأسست ORCA في عام 2019 من قبل Ian Walmsley و Richard Murray و Josh Nunn و Cristina Escoda ومقرها في لندن.

كوانديلا

شركة جديدة تسمى كوانديلا مكرس لإنشاء أجهزة وظيفية للبحث في الضوئيات وأجهزة الكمبيوتر الكمومية والمعلومات الكمومية.

إنها تخلق مصادر ضوء كمومية صلبة مميزة. تم تطوير جيل جديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية على أساس معالجة الضوء باستخدام هذه المصادر.

في عام 2017 ، أنشأ Valerian Giesz و Pascale Senellart و Niccolo Somaschi شركة الضوئيات هذه في باريس.

تندرا سيستمز العالمية

تأسست بريان أنتاو تندرا سيستمز العالمية في كارديف ، ويلز ، من أجل البناء من الألف إلى الياء على التطورات العديدة من مصادر أكاديمية مختلفة ، مثل جامعة بريستول ، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، ومراكز تكنولوجيا الكم في المملكة المتحدة ، وما إلى ذلك ، في الحلول الحسابية في نظام بصري شامل باستخدام الأساس الأساسي ميكانيكا الكم.

الهدف النهائي للمؤسسة هو إنشاء وتوزيع حلول مبتكرة لتكنولوجيا الكم. يعد إنشاء مكتبة لتقنية Tundra Quantum Photonics بمثابة الخطوة الأولى في عملية التطوير. يعد هذا أحد عناصر إستراتيجية نظام Tundra حيث يعمل على إنشاء معالج Tundra ، وهو معالج ضوئي كمومي يعمل بكامل طاقته. يمكن بناء نظام HPC شامل يحيط بمعالج التندرا بمساعدة هذه المكتبة ، والتي يجب أن تسهل أيضًا تطور النظام البيئي للدوائر الضوئية المتكاملة.

وفي الختام

في الختام ، نرى تطورات مثيرة في استخدام الليزر والضوء في الحوسبة. مع استمرار تقدم التكنولوجيا الضوئية ، يمكننا أن نتوقع رؤيتها تُستخدم في مجموعة واسعة من التطبيقات ، من شبكات منطقة المعالجة والتخزين المتوازية إلى شبكات البيانات الضوئية وأجهزة التخزين البيومترية.

تحتوي معالجات أجهزة الكمبيوتر الحالية الآن على أجهزة الكشف عن الضوء وأشعة الليزر الصغيرة التي تسهل نقل البيانات عبر الألياف الضوئية. تقوم بعض الشركات بتطوير معالجات بصرية تستخدم المفاتيح الضوئية وضوء الليزر لإجراء العمليات الحسابية. تقوم شركة إنتل ، وهي واحدة من أبرز المؤيدين لهذه التقنية ، بإنشاء ارتباط ضوئي للسيليكون متكامل يمكنه نقل 50 غيغابايت في الثانية من المعلومات غير المنقطعة.

---

يمكن لنموذج حسابي عصبي جديد أن يعزز أبحاث الذكاء الاصطناعي العصبي

---

قد تأتي أجهزة الكمبيوتر المستقبلية بدون شاشات ، مع تقديم المعلومات من خلال الصور المجسمة في الهواء فوق لوحة المفاتيح. أصبحت هذه التكنولوجيا ممكنة من خلال تعاون الباحثين والخبراء الصناعيين. بالإضافة إلى ذلك ، من المتوقع أن ينمو الاستخدام العملي للتكنولوجيا الضوئية في شكل شبكات بصرية كل عام يمر.

بفضل قدرتها على الحوسبة عالية السرعة والفعالة ، تستعد التكنولوجيا الضوئية لإحداث ثورة في طريقة تفكيرنا في الحساب ومعالجة البيانات.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• المصدر https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/