Fremkomsten af ​​integreret fotonik: Hvordan ændrer lyset computerens ansigt?

Optisk databehandling er en revolutionerende teknologi, der har potentialet til at ændre den måde, vi tænker om beregning på. I modsætning til traditionelle computere, der bruger elektriske signaler til at udføre beregninger, bruger optisk databehandling lys. Dette giver mulighed for en meget højere frekvens af databehandling, hvilket gør det muligt at køre store og komplekse beregninger med utrolig høje hastigheder.

En af nøgleteknologierne bag optisk databehandling er fotonisk databehandling, som bruger fotoner til at udføre beregninger i stedet for elektroner. Dette giver mulighed for en mere effektiv og syntetisk tilgang til beregning, da fotoner let kan manipuleres og kontrolleres til at udføre en bred vifte af opgaver.

En anden nøgleteknologi inden for optisk databehandling er integreret fotonik. Dette refererer til integrationen af ​​fotoniske komponenter i en enkelt, kompakt enhed, hvilket muliggør en mere effektiv og skalerbar tilgang til beregning.

Overordnet set har brugen af ​​disse teknologier potentialet til at revolutionere den måde, vi tænker om beregning og databehandling på. Med optisk computing kan vi løse problemer, der i øjeblikket ligger uden for mulighederne for selv de mest avancerede computere og gøre det med hastigheder, der er utænkelige med nutidens teknologier.

Forskere har opdaget en måde at køre lysbaserede logiske porte på, som er en million gange hurtigere end konventionelle elektroniske logiske porte, der findes i traditionelle computerprocessorer. Disse logiske porte, som består af booleske funktioner og kører binære rutiner, køres typisk elektronisk. Den nye metode bruger dog lys til at udføre de samme funktioner, hvilket fører til væsentligt hurtigere behandlingshastigheder.

Dette blev fundet i en undersøgelse udført ved AALTO University og udgivet i tidsskriftet Science Advances.

Hvad er optisk databehandling?

En optisk computer, også kendt som en fotonisk computer, er en enhed, der udfører digitale beregninger ved hjælp af fotoner i synligt lys eller infrarøde (IR) stråler i modsætning til elektrisk strøm. Hastigheden af ​​en elektrisk strøm er kun 10% af lysets hastighed. En af årsagerne til udviklingen af ​​optisk fiber var begrænsningen af ​​den hastighed, hvormed data kan transmitteres over lange afstande. En computer, der kan udføre processer ti eller flere gange hurtigere end en traditionel elektronisk computer, kan en dag blive skabt ved at implementere nogle af fordelene ved synlige og/eller IR-netværk ved enhedens og komponentstørrelsen.

I modsætning til elektriske strømme strømmer synlige og infrarøde stråler hen over hinanden uden at interagere. Selv når de er begrænset til i det væsentlige to dimensioner, kan mange (eller mange) laserstråler udstråles, så deres veje krydser hinanden, men der er ingen interferens mellem strålerne. Ledninger i tre dimensioner er vigtigt, fordi elektriske strømme skal rettes rundt om hinanden. Som følge heraf kan en optisk computer også være mindre udover at være væsentlig hurtigere end en elektronisk.

Selvom nogle ingeniører forudser, at optisk databehandling vil blive udbredt i fremtiden, er de fleste eksperter enige om, at ændringer vil finde sted gradvist i specifikke nicher. Der er nogle optiske integrerede kredsløb, der er blevet udviklet og produceret. (Optiske kredsløb er blevet brugt i konstruktionen af ​​mindst én fuld-funktionel, omend noget stor, computer.) Ved at opdele billedet i voxels kan en tredimensionel video i fuld bevægelse udsendes via et netværk af fibre. Selvom de dataimpulser, der bruges til at styre nogle optiske enheder, er synligt lys eller infrarøde bølger, kan elektroniske strømme ikke desto mindre betjene dem.

Digital kommunikation, hvor fiberoptisk dataoverførsel allerede er udbredt, er dér, hvor den optiske teknologi har udviklet sig mest. Det ultimative mål er det såkaldte fotoniske netværk, hvor hver kilde og destination kun er forbundet med synlige og infrarøde fotoner. Laserprintere, kopimaskiner, scannere og cd-rom-drev og deres pårørende bruger alle optisk teknologi. Alle disse enheder er dog til en vis grad afhængige af almindelige elektroniske kredsløb og dele; ingen af ​​dem er helt optiske.

Hvordan fungerer optisk databehandling?

Optisk databehandling ligner traditionel databehandling, idet den bruger logiske porte og binære rutiner til at udføre beregninger. Det adskiller sig dog i den måde, disse beregninger udføres på. I optisk databehandling genereres fotoner af lysdioder, lasere og andre enheder og bruges til at kode data på samme måde som elektroner i traditionel databehandling. Dette giver mulighed for meget hurtigere og mere effektiv beregning, da fotoner let kan manipuleres og kontrolleres til at udføre en bred vifte af opgaver.

---

IIoT og edge computing vinder indpas i mange brancher

---

Med det ultimative mål at udvikle en optisk computer, er der undersøgelser med fokus på design og implementering af optiske transistorer. En lysstråle kan effektivt blokeres af en polariserende skærm, der roterer 90 grader. Dielektriske komponenter, der har kapacitet til at fungere som polarisatorer, bruges også til at skabe optiske transistorer. På trods af nogle tekniske vanskeligheder er optiske logiske porte grundlæggende mulige. De ville bestå af en enkelt kontrol og adskillige stråler, der ville give de rigtige logiske resultater.

En stor fordel ved traditionelle elektroniske computere er, at siliciumkanaler og kobbertråde kan bruges til at styre og kontrollere elektronernes bevægelse. Dette giver mulighed for effektiv og pålidelig beregning.

I optisk databehandling kan en lignende effekt opnås ved hjælp af plasmoniske nanopartikler. Disse partikler kan styre og kontrollere fotonernes bevægelse, så de kan dreje om hjørner og fortsætte på deres vej uden væsentligt tab af kraft eller omdannelse til elektroner. Dette gør det muligt at skabe kompakte og effektive optiske computerenheder.

De fleste dele af en optisk chip ligner en traditionel computerchip, hvor elektroner bruges til at behandle og transformere information. Men sammenkoblingerne, som bruges til at shuttle information mellem forskellige områder af chippen, er blevet væsentligt ændret.

I optisk databehandling bruges lys i stedet for elektroner til shuttling af information. Dette skyldes, at lys let kan holdes tilbage og har fordelen af ​​mindre informationstab under rejsen. Dette er især nyttigt i situationer, hvor forbindelserne kan blive varmere, hvilket kan bremse elektronernes bevægelse. Ved at bruge lys til informationstransport er det muligt at skabe hurtigere og mere effektive optiske computerenheder.

Forskere håber, at brugen af ​​lys til informationstransport i optisk databehandling vil resultere i udviklingen af ​​exascale computere. Exascale-computere er i stand til at udføre milliarder af beregninger hvert sekund, hvilket er 1000 gange hurtigere end de nuværende hurtigste systemer. Ved at bruge lys til kommunikation er det muligt at opnå dette niveau af behandlingshastighed, hvilket resulterer i mere kraftfulde og effektive computerenheder.

Fordele og ulemper ved optisk databehandling

Fordelene ved optisk databehandling er:

• Hurtig tæthed, lille størrelse, minimal junction-opvarmning, høj hastighed, dynamisk skalering og rekonfigurerbarhed til mindre/større netværk/topologier, stor parallel computing-kapacitet og AI-applikationer er blot nogle få af de primære fordele ved optiske computere.
• Optiske sammenkoblinger har forskellige fordele ud over hastighed. De er ikke tilbøjelige til elektriske kortslutninger og er immune over for elektromagnetisk interferens.
• De giver transmission med lavt tab og en masse båndbredde, hvilket gør det muligt for flere kanaler at kommunikere samtidigt.
• Databehandling på optiske komponenter er billigere og enklere end databehandling på elektroniske komponenter.
• Fotoner interagerer ikke med hinanden så hurtigt som elektroner, da de ikke er ladede. Dette giver en yderligere fordel, fordi fuld duplex-funktion tillader lysstråler at passere på tværs af hinanden.
• Sammenlignet med magnetiske materialer er optiske materialer mere tilgængelige og har højere lagertæthed.

Ulemperne ved optisk databehandling er:

• Det er svært at udvikle fotoniske krystaller.
• På grund af samspillet mellem flere signaler er beregning en kompleks proces.
• Nuværende optiske computerprototyper er ret omfangsrige i størrelse. 

Optisk computing vs quantum computing

Optisk databehandling og kvantedatabehandling er to forskellige teknologier, der har potentialet til at revolutionere den måde, vi tænker om beregning og databehandling.

Optisk databehandling bruger lys til at udføre beregninger og databehandlingsopgaver, mens kvantedatabehandling bruger kvantemekanikkens principper til at udføre beregninger.

---

Qudit-computere åbner uendelige muligheder ved at overskride det binære system

---

En af de vigtigste forskelle mellem de to teknologier er den hastighed, hvormed de er i stand til at udføre beregninger. Optisk databehandling er i stand til at fungere ved meget højere hastigheder end traditionel elektronisk databehandling og er også hurtigere end kvantedatabehandling i nogle tilfælde. Dette skyldes det faktum, at fotoner, lyspartiklerne, der bruges i optisk databehandling, let kan manipuleres og kontrolleres til at udføre en lang række opgaver.

På den anden side har kvanteberegning potentialet til at løse visse problemer, der i øjeblikket ligger uden for selv de mest avancerede computeres muligheder. Dette skyldes kvantemekanikkens unikke egenskaber, som giver mulighed for at skabe meget komplekse og sammenfiltrede tilstande, der kan bruges til at udføre beregninger.

Samlet set har både optisk databehandling og kvantedatabehandling potentialet til at revolutionere området for beregning og databehandling. Selvom de har forskellige styrker og begrænsninger, tilbyder begge teknologier spændende nye muligheder for at løse komplekse problemer og fremme vores forståelse af verden.

Optiske computervirksomheder

Hvis du er interesseret i at lære mere, har vi sammensat den mest grundige liste over de bedste kvantecomputervirksomheder derude!

Xanadu Quantum Technologies

canadisk teknologivirksomhed Xanadu Quantum Technologies er en stor leverandør af fotonisk quantum computing hardware.

Målet for Xanadu, en virksomhed etableret i 2016 af CEO Christian Weedbrook, er at skabe kvantecomputere, der er tilgængelige og gavnlige for alle. Virksomheden har vedtaget en full-stack-strategi for at nå dette mål og udvikler hardware, software og engagerer sig i banebrydende forskning med udvalgte partnere.

Ved hjælp af Strawberry Fields-applikationsbiblioteket og Xanadu Quantum Cloud (XQC)-tjenesten kan virksomheder og akademikere nu begynde at bruge Xanadus fotoniske kvantecomputere.

Gennem oprettelsen af ​​PennyLane, et open source-projekt, der er vokset til at blive et førende softwarebibliotek blandt kvanteforskere og -udviklere, udvikler virksomheden også området for kvantemaskinelæring (QML).

PsiQuantum

Målet PsiQuantum, en gruppe af kvantefysikere, halvleder-, system- og softwareingeniører, systemarkitekter og andre skal skabe den første nyttige kvantecomputer ved at bruge den fotoniske tilgang, fordi de mener, den giver tekniske fordele i den skala, der er nødvendig for fejlkorrektion. De skabte medieopmærksomhed ved at koncentrere sig om en 1 million qubit kvantecomputer.

PsiQuantum blev etableret i 2015 af Jeremy O'Brien, Terry Rudolph, Pete Shadbolt og Mark Thompson og har hovedkontor i Silicon Valley, epicentret for teknologisk innovation.

ORCA Computing

Baseret på forskning fra professor Ian Walmsleys Ultra-fast and Non-linear Quantum Optics Group ved University of Oxford, ORCA blev grundlagt i London af dygtige videnskabsmænd og forretningsfolk. Ian Walmsley, Josh Nunn og Kris Kaczmarek i gruppen indså, at "kortsigtede" kvantehukommelser kan synkronisere fotoniske aktiviteter og gøre kvanteberegning virkelig skalerbar.

Ved at udnytte ORCA kvantehukommelsen til at løse dette redundansproblem, frigør ORCA potentialet for kvantefotonik uden de alvorlige afvejninger af konkurrerende metoder.

ORCA blev etableret i 2019 af Ian Walmsley, Richard Murray, Josh Nunn og Cristina Escoda og har base i London.

Quandela

Et nyt firma kaldte Quandela er dedikeret til skabelsen af ​​funktionelle enheder til forskning i fotonik, kvantecomputere og kvanteinformation.

Det skaber karakteristiske solid-state kvantelyskilder. En ny generation af kvantecomputere baseret på manipulation af lys er udviklet ved hjælp af disse kilder.

I 2017 oprettede Valerian Giesz, Pascale Senellart og Niccolo Somaschi dette fotonikfirma i Paris.

TundraSystems Global

Brian Antao grundlagt TundraSystems Global i Cardiff, Wales, for fra bunden at bygge de talrige udviklinger fra forskellige akademiske kilder, såsom University of Bristol, MIT, UK Quantum Technology Hubs osv., inden for beregningsmæssige løsninger i et al-optisk regime ved hjælp af det grundlæggende fundament af kvantemekanik.

Organisationens ultimative mål er at skabe og distribuere innovative kvanteteknologiske løsninger. At lave et bibliotek til Tundra Quantum Photonics Technology er det første skridt i udviklingsprocessen. Dette er et element i Tundra Systems strategi, da det arbejder på at skabe TundraProcessor, en fuldt funktionel kvantefotonikmikroprocessor. Et omfattende HPC-system, der omgiver TundraProcessor, kan bygges ved hjælp af dette bibliotek, hvilket også skulle gøre det lettere for økosystemet af fotoniske integrerede kredsløb at udvikle sig.

Konklusion

Afslutningsvis ser vi spændende udviklinger i brugen af ​​lasere og lys i computere. Efterhånden som den optiske teknologi fortsætter med at udvikle sig, kan vi forvente at se den blive brugt i en bred vifte af applikationer, lige fra parallelle behandlings- og lagernetværk til optiske datanetværk og biometriske lagerenheder.

Processorerne på nutidens computere indeholder nu lysdetektorer og bittesmå lasere, der letter datatransmission gennem optiske fibre. Nogle virksomheder udvikler endda optiske processorer, der bruger optiske kontakter og laserlys til at udføre beregninger. Intel, en af ​​de førende fortalere for denne teknologi, skaber et integreret siliciumfotonik-link, der kan transmittere 50 gigabyte pr. sekund uafbrudt information.

---

En ny neurocomputermodel kunne fremme forskning i neural kunstig intelligens

---

Fremtidige computere kan komme uden skærme, hvor information præsenteres gennem hologrammer i luften over tastaturet. Denne teknologi bliver gjort mulig gennem samarbejde mellem forskere og industrielle eksperter. Derudover forventes den praktiske brug af optisk teknologi i form af optisk netværk at vokse hvert år.

Med sit potentiale for højhastigheds og effektiv beregning er optisk teknologi klar til at revolutionere den måde, vi tænker om beregning og databehandling.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/