Der Aufstieg der integrierten Photonik: Wie verändert Licht das Gesicht der Datenverarbeitung?

Optical Computing ist eine revolutionäre Technologie, die das Potenzial hat, die Art und Weise, wie wir über Computer denken, zu verändern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Computern, die elektrische Signale zur Durchführung von Berechnungen verwenden, verwendet Optical Computing Licht. Dies ermöglicht eine viel höhere Frequenz der Datenverarbeitung, wodurch große und komplexe Berechnungen mit unglaublich hoher Geschwindigkeit ausgeführt werden können.

Eine der Schlüsseltechnologien hinter dem Optical Computing ist das Photonic Computing, das Photonen anstelle von Elektronen verwendet, um Berechnungen durchzuführen. Dies ermöglicht einen effizienteren und synthetischeren Ansatz für die Berechnung, da Photonen leicht manipuliert und gesteuert werden können, um eine Vielzahl von Aufgaben auszuführen.

Eine weitere Schlüsseltechnologie im Bereich Optical Computing ist die integrierte Photonik. Dies bezieht sich auf die Integration von photonischen Komponenten in ein einzelnes, kompaktes Gerät, was einen effizienteren und skalierbareren Berechnungsansatz ermöglicht.

Insgesamt hat der Einsatz dieser Technologien das Potenzial, unsere Denkweise über Berechnung und Datenverarbeitung zu revolutionieren. Mit Optical Computing können wir Probleme lösen, die derzeit sogar die Fähigkeiten der fortschrittlichsten Computer übersteigen, und dies mit Geschwindigkeiten, die mit heutigen Technologien unvorstellbar sind.

Forscher haben eine Möglichkeit entdeckt, lichtbasierte Logikgatter zu betreiben, die millionenfach schneller sind als herkömmliche elektronische Logikgatter, die in herkömmlichen Computerprozessoren zu finden sind. Diese Logikgatter, die aus booleschen Funktionen bestehen und binäre Routinen ausführen, werden normalerweise elektronisch ausgeführt. Das neue Verfahren verwendet jedoch Licht, um die gleichen Funktionen auszuführen, was zu deutlich schnelleren Verarbeitungsgeschwindigkeiten führt.

Dies wurde in einer Studie festgestellt, die an der AALTO University und durchgeführt wurde veröffentlicht in der Zeitschrift Science Advances.

Was ist optisches Computing?

Ein optischer Computer, auch als photonischer Computer bekannt, ist ein Gerät, das digitale Berechnungen unter Verwendung von Photonen in sichtbarem Licht oder Infrarotstrahlen (IR) anstelle von elektrischem Strom durchführt. Die Geschwindigkeit eines elektrischen Stroms beträgt nur 10 % der Lichtgeschwindigkeit. Einer der Gründe, die zur Entwicklung von Glasfasern führten, war die Beschränkung der Geschwindigkeit, mit der Daten über große Entfernungen übertragen werden können. Ein Computer, der Prozesse zehnmal oder öfter schneller ausführen kann als ein herkömmlicher elektronischer Computer, könnte eines Tages geschaffen werden, indem einige der Vorteile von sichtbaren und/oder IR-Netzwerken in Geräte- und Komponentengröße implementiert werden.

Im Gegensatz zu elektrischen Strömen fließen sichtbare und infrarote Strahlen ohne Wechselwirkung übereinander. Selbst wenn sie im Wesentlichen auf zwei Dimensionen beschränkt sind, können viele (oder viele) Laserstrahlen so eingestrahlt werden, dass sich ihre Pfade kreuzen, aber es gibt keine Interferenz zwischen den Strahlen. Die Verdrahtung in drei Dimensionen ist wichtig, weil elektrische Ströme umeinander geleitet werden müssen. Dadurch kann ein optischer Computer auch kleiner und deutlich schneller als ein elektronischer sein.

Obwohl einige Ingenieure voraussagen, dass Optical Computing in Zukunft weit verbreitet sein wird, sind sich die meisten Experten einig, dass Änderungen in bestimmten Nischen allmählich stattfinden werden. Es gibt einige optische integrierte Schaltungen, die entwickelt und hergestellt wurden. (Optische Schaltkreise wurden bei der Konstruktion mindestens eines voll ausgestatteten, wenn auch etwas großen Computers verwendet.) Durch Aufteilen des Bildes in Voxel kann ein dreidimensionales Vollbewegungsvideo über ein Fasernetzwerk gesendet werden. Obwohl die Datenimpulse, die zur Steuerung einiger optischer Geräte verwendet werden, sichtbares Licht oder Infrarotwellen sind, können sie dennoch durch elektronische Ströme betrieben werden.

Bei der digitalen Kommunikation, bei der die faseroptische Datenübertragung bereits weit verbreitet ist, hat sich die optische Technologie am weitesten entwickelt. Das ultimative Ziel ist das sogenannte photonische Netzwerk, bei dem jede Quelle und jedes Ziel nur durch sichtbare und infrarote Photonen verbunden sind. Laserdrucker, Fotokopierer, Scanner und CD-ROM-Laufwerke und ihre Verwandten verwenden alle optische Technologie. Alle diese Geräte beruhen jedoch bis zu einem gewissen Grad auf gewöhnlichen elektronischen Schaltungen und Teilen; keiner von ihnen ist vollständig optisch.

Wie funktioniert Optical Computing?

Optical Computing ist dem traditionellen Computing insofern ähnlich, als es logische Gatter und binäre Routinen verwendet, um Berechnungen durchzuführen. Es unterscheidet sich jedoch in der Art und Weise, wie diese Berechnungen durchgeführt werden. Beim optischen Rechnen werden Photonen von LEDs, Lasern und anderen Geräten erzeugt und zum Codieren von Daten ähnlich wie Elektronen beim herkömmlichen Rechnen verwendet. Dies ermöglicht eine viel schnellere und effizientere Berechnung, da Photonen leicht manipuliert und gesteuert werden können, um eine Vielzahl von Aufgaben auszuführen.

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Mit dem Endziel, einen optischen Computer zu entwickeln, gibt es Studien, die sich auf das Design und die Implementierung optischer Transistoren konzentrieren. Ein Lichtstrahl kann durch einen um 90 Grad drehbaren Polarisationsschirm effizient blockiert werden. Dielektrische Komponenten, die als Polarisatoren fungieren können, werden auch zur Herstellung optischer Transistoren verwendet. Trotz einiger technischer Schwierigkeiten sind optische Logikgatter grundsätzlich möglich. Sie würden aus einem einzigen Steuerelement und zahlreichen Strahlen bestehen, die die richtigen logischen Ergebnisse liefern würden.

Ein großer Vorteil herkömmlicher elektronischer Computer besteht darin, dass Siliziumkanäle und Kupferdrähte verwendet werden können, um die Bewegung von Elektronen zu leiten und zu steuern. Dies ermöglicht eine effiziente und zuverlässige Berechnung.

Beim Optical Computing lässt sich ein ähnlicher Effekt mit plasmonischen Nanopartikeln erzielen. Diese Teilchen können die Bewegung von Photonen lenken und steuern, sodass sie um Ecken biegen und ihren Weg ohne signifikanten Leistungsverlust oder Umwandlung in Elektronen fortsetzen können. Dies macht es möglich, kompakte und effiziente optische Rechenvorrichtungen zu schaffen.

Die meisten Teile eines optischen Chips ähneln einem herkömmlichen Computerchip, wobei Elektronen zur Verarbeitung und Umwandlung von Informationen verwendet werden. Allerdings wurden die Verbindungen, die für den Transfer von Informationen zwischen verschiedenen Bereichen des Chips verwendet werden, erheblich verändert.

Beim optischen Rechnen wird Licht anstelle von Elektronen zum Übertragen von Informationen verwendet. Dies liegt daran, dass Licht leicht eingedämmt werden kann und den Vorteil hat, dass während der Fahrt weniger Informationen verloren gehen. Dies ist besonders nützlich in Situationen, in denen sich die Zwischenverbindungen erwärmen können, was die Bewegung von Elektronen verlangsamen kann. Durch die Verwendung von Licht für den Informationstransfer ist es möglich, schnellere und effizientere optische Computergeräte zu schaffen.

Die Forscher hoffen, dass die Verwendung von Licht für den Informationstransfer beim Optical Computing zur Entwicklung von Exascale-Computern führen wird. Exascale-Computer können jede Sekunde Milliarden von Berechnungen durchführen, was 1000-mal schneller ist als die derzeit schnellsten Systeme. Durch die Verwendung von Licht für die Kommunikation ist es möglich, dieses Niveau an Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erreichen, was zu leistungsfähigeren und effizienteren Computergeräten führt.

Die Vor- und Nachteile von Optical Computing

Die Vorteile von Optical Computing sind:

• Schnelle Dichte, geringe Größe, minimale Verbindungserwärmung, hohe Geschwindigkeit, dynamische Skalierung und Rekonfigurierbarkeit in kleinere/größere Netzwerke/Topologien, enorme parallele Rechenleistung und KI-Anwendungen sind nur einige der Hauptvorteile optischer Computer.
• Optische Verbindungen haben neben der Geschwindigkeit verschiedene Vorteile. Sie sind nicht anfällig für elektrische Kurzschlüsse und immun gegen elektromagnetische Störungen.
• Sie bieten eine verlustarme Übertragung und viel Bandbreite, sodass mehrere Kanäle gleichzeitig kommunizieren können.
• Die Datenverarbeitung auf optischen Komponenten ist kostengünstiger und einfacher als die Datenverarbeitung auf elektronischen Komponenten.
• Photonen interagieren nicht so schnell wie Elektronen, da sie nicht geladen sind. Dies bietet einen weiteren Vorteil, da die Vollduplex-Funktion ermöglicht, dass sich Lichtstrahlen kreuzen.
• Im Vergleich zu magnetischen Materialien sind optische Materialien besser zugänglich und haben eine höhere Speicherdichte.

Die Nachteile von Optical Computing sind:

• Es ist schwierig, photonische Kristalle zu entwickeln.
• Aufgrund des Zusammenspiels mehrerer Signale ist die Berechnung ein komplexer Vorgang.
• Gegenwärtige optische Computerprototypen sind ziemlich sperrig in der Größe. 

Optisches Computing vs. Quantencomputing

Optical Computing und Quantum Computing sind zwei verschiedene Technologien, die das Potenzial haben, unsere Denkweise über Berechnung und Datenverarbeitung zu revolutionieren.

Optisches Computing verwendet Licht, um Berechnungen und Datenverarbeitungsaufgaben durchzuführen, während Quantencomputer die Prinzipien der Quantenmechanik verwenden, um Berechnungen durchzuführen.

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Einer der Hauptunterschiede zwischen den beiden Technologien ist die Geschwindigkeit, mit der sie Berechnungen durchführen können. Optisches Computing kann mit viel höheren Geschwindigkeiten arbeiten als herkömmliches elektronisches Computing und ist in einigen Fällen auch schneller als Quantencomputing. Dies liegt an der Tatsache, dass Photonen, die Lichtteilchen, die in der optischen Datenverarbeitung verwendet werden, leicht manipuliert und gesteuert werden können, um eine Vielzahl von Aufgaben zu erfüllen.

Andererseits hat Quantencomputer das Potenzial, bestimmte Probleme zu lösen, die derzeit selbst die fortschrittlichsten Computer nicht leisten können. Dies liegt an den einzigartigen Eigenschaften der Quantenmechanik, die die Erzeugung hochkomplexer und verschränkter Zustände ermöglichen, die zur Durchführung von Berechnungen verwendet werden können.

Insgesamt haben sowohl Optical Computing als auch Quantum Computing das Potenzial, den Bereich der Computer- und Datenverarbeitung zu revolutionieren. Obwohl sie unterschiedliche Stärken und Einschränkungen haben, bieten beide Technologien aufregende neue Möglichkeiten, um komplexe Probleme zu lösen und unser Verständnis der Welt zu verbessern.

Unternehmen für optische Computer

Wenn Sie daran interessiert sind, mehr zu erfahren, haben wir die umfassendste Liste der besten Quantencomputerunternehmen da draußen zusammengestellt!

Xanadu Quantentechnologien

Kanadisches Technologieunternehmen Xanadu Quantentechnologien ist ein bedeutender Anbieter von Hardware für photonische Quantencomputer.

Das Ziel von Xanadu, einem 2016 von CEO Christian Weedbrook gegründeten Unternehmen, ist es, Quantencomputer zu entwickeln, die für alle zugänglich und von Nutzen sind. Das Unternehmen verfolgt eine Full-Stack-Strategie, um dieses Ziel zu erreichen, entwickelt Hardware und Software und betreibt mit ausgewählten Partnern Spitzenforschung.

Mit Hilfe der Strawberry Fields-Anwendungsbibliothek und des Xanadu Quantum Cloud (XQC)-Dienstes können Unternehmen und Akademiker jetzt damit beginnen, die photonischen Quantencomputer von Xanadu zu nutzen.

Durch die Gründung von PennyLane, einem Open-Source-Projekt, das sich zu einer führenden Softwarebibliothek unter Quantenforschern und -entwicklern entwickelt hat, entwickelt das Unternehmen auch das Gebiet des quantenmechanischen Lernens (QML).

PsiQuantum

Das Ziel PsiQuantum, eine Gruppe von Quantenphysikern, Halbleiter-, System- und Softwareingenieuren, Systemarchitekten und anderen, soll den ersten nützlichen Quantencomputer mithilfe des photonischen Ansatzes entwickeln, weil sie glauben, dass er technische Vorteile in dem für die Fehlerkorrektur erforderlichen Maßstab bietet. Sie erzeugten mediale Aufmerksamkeit, indem sie sich auf einen 1-Millionen-Qubit-Quantencomputer konzentrierten.

PsiQuantum wurde 2015 von Jeremy O'Brien, Terry Rudolph, Pete Shadbolt und Mark Thompson gegründet und hat seinen Hauptsitz im Silicon Valley, dem Epizentrum der technologischen Innovation.

ORCA-Computing

Basierend auf Forschungsergebnissen der Ultra-fast and Non-linear Quantum Optics Group von Professor Ian Walmsley an der University of Oxford, ORCA wurde in London von erfahrenen Wissenschaftlern und Geschäftsleuten gegründet. Ian Walmsley, Josh Nunn und Kris Kaczmarek in der Gruppe erkannten, dass „kurzfristige“ Quantenspeicher photonische Aktivitäten synchronisieren und Quantencomputer wirklich skalierbar machen könnten.

Durch die Nutzung des ORCA-Quantenspeichers zur Lösung dieses Redundanzproblems erschließt ORCA das Potenzial der Quantenphotonik ohne die schwerwiegenden Kompromisse konkurrierender Methoden.

ORCA wurde 2019 von Ian Walmsley, Richard Murray, Josh Nunn und Cristina Escoda gegründet und hat seinen Sitz in London.

Quandela

Eine neue Firma hat angerufen Quandela widmet sich der Entwicklung funktionaler Geräte für die Erforschung von Photonik, Quantencomputern und Quanteninformation.

Es erzeugt unverwechselbare Festkörper-Quantenlichtquellen. Mit diesen Quellen wird eine neue Generation von Quantencomputern entwickelt, die auf der Manipulation von Licht basiert.

2017 gründeten Valerian Giesz, Pascale Senellart und Niccolo Somaschi diese Photonikfirma in Paris.

TundraSystems Global

Brian Antao gegründet TundraSystems Global in Cardiff, Wales, um die zahlreichen Entwicklungen aus verschiedenen akademischen Quellen, wie der University of Bristol, dem MIT, den UK Quantum Technology Hubs usw., von Grund auf in Computerlösungen in einem rein optischen Regime unter Verwendung der fundamentalen Grundlage aufzubauen der Quantenmechanik.

Das ultimative Ziel der Organisation ist die Entwicklung und Verbreitung innovativer Quantentechnologielösungen. Das Erstellen einer Bibliothek für Tundra Quantum Photonics Technology ist der erste Schritt im Entwicklungsprozess. Dies ist ein Element der Strategie von Tundra System bei der Entwicklung des TundraProcessors, eines voll funktionsfähigen Quantenphotonik-Mikroprozessors. Mit Hilfe dieser Bibliothek kann ein umfassendes HPC-System rund um den TundraProcessor aufgebaut werden, das auch die Weiterentwicklung des Ökosystems der photonischen integrierten Schaltkreise erleichtern soll.

Zusammenfassung

Zusammenfassend sehen wir spannende Entwicklungen bei der Verwendung von Lasern und Licht in der Computertechnik. Da die optische Technologie weiter voranschreitet, können wir davon ausgehen, dass sie in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird, von parallelen Verarbeitungs- und Speicherbereichsnetzen bis hin zu optischen Datennetzen und biometrischen Speichergeräten.

Die Prozessoren heutiger Computer enthalten heute Lichtdetektoren und winzige Laser, die die Datenübertragung durch Glasfasern erleichtern. Einige Unternehmen entwickeln sogar optische Prozessoren, die optische Schalter und Laserlicht verwenden, um Berechnungen durchzuführen. Intel, einer der führenden Befürworter dieser Technologie, erstellt eine integrierte Silizium-Photonik-Verbindung, die 50 Gigabyte pro Sekunde an ununterbrochenen Informationen übertragen kann.

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Zukünftige Computer könnten ohne Bildschirme auskommen, wobei Informationen durch Hologramme in der Luft über der Tastatur dargestellt werden. Diese Technologie wird durch die Zusammenarbeit von Forschern und Industrieexperten ermöglicht. Außerdem wird prognostiziert, dass die praktische Verwendung optischer Technologie in Form optischer Netzwerke jedes Jahr zunehmen wird.

Mit ihrem Potenzial für schnelle und effiziente Berechnungen ist die optische Technologie bereit, die Art und Weise zu revolutionieren, wie wir über Berechnungen und Datenverarbeitung denken.

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• Quelle: https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/