ظهور فوتونیک یکپارچه: چگونه نور چهره محاسبات را تغییر می دهد؟

محاسبات نوری یک فناوری انقلابی است که این پتانسیل را دارد که طرز فکر ما را در مورد محاسبات تغییر دهد. بر خلاف کامپیوترهای سنتی که از سیگنال های الکتریکی برای انجام محاسبات استفاده می کنند، محاسبات نوری از نور استفاده می کنند. این امکان فرکانس بسیار بالاتری از پردازش داده ها را فراهم می کند و انجام محاسبات بزرگ و پیچیده را با سرعت های فوق العاده سریع ممکن می سازد.

یکی از فناوری‌های کلیدی محاسبات نوری، محاسبات فوتونیکی است که از فوتون‌ها برای انجام محاسبات به جای الکترون‌ها استفاده می‌کند. این امکان یک رویکرد کارآمدتر و ترکیبی تر را برای محاسبات فراهم می کند، زیرا فوتون ها را می توان به راحتی دستکاری و کنترل کرد تا طیف وسیعی از وظایف را انجام دهد.

یکی دیگر از فناوری های کلیدی در زمینه محاسبات نوری، فوتونیک یکپارچه است. این به ادغام اجزای فوتونیک در یک دستگاه منفرد و فشرده اشاره دارد که امکان یک رویکرد کارآمدتر و مقیاس پذیرتر را برای محاسبات فراهم می کند.

به طور کلی، استفاده از این فناوری‌ها این پتانسیل را دارد که طرز تفکر ما در مورد محاسبات و پردازش داده را متحول کند. با محاسبات نوری می‌توانیم مشکلاتی را حل کنیم که در حال حاضر حتی از توانایی‌های پیشرفته‌ترین رایانه‌ها خارج است و این کار را با سرعت‌هایی انجام می‌دهیم که با فناوری‌های امروزی غیرقابل تصور است.

محققان راهی برای اجرای گیت‌های منطقی مبتنی بر نور کشف کرده‌اند که یک میلیون بار سریع‌تر از گیت‌های منطقی الکترونیکی معمولی موجود در پردازنده‌های رایانه‌ای سنتی هستند. این گیت های منطقی که از توابع بولی تشکیل شده اند و روتین های دودویی را اجرا می کنند، معمولاً به صورت الکترونیکی اجرا می شوند. با این حال، روش جدید از نور برای انجام همان عملکردها استفاده می کند که منجر به سرعت پردازش قابل توجهی می شود.

این در یک مطالعه انجام شده در دانشگاه AALTO و منتشر شده در مجله Science Advances.

محاسبات نوری چیست؟

رایانه نوری که به عنوان رایانه فوتونیک نیز شناخته می شود، دستگاهی است که محاسبات دیجیتالی را با استفاده از فوتون در نور مرئی یا پرتوهای فروسرخ (IR) بر خلاف جریان الکتریکی انجام می دهد. سرعت جریان الکتریکی فقط 10 درصد سرعت نور است. یکی از دلایلی که منجر به توسعه فیبر نوری شد، محدودیت در سرعت انتقال داده ها در فواصل طولانی بود. رایانه ای که می تواند ده بار یا بیشتر از یک رایانه الکترونیکی سنتی فرآیندها را سریعتر انجام دهد، ممکن است روزی با اجرای برخی از مزایای شبکه های قابل مشاهده و/یا IR در اندازه دستگاه و مؤلفه ایجاد شود.

برخلاف جریان‌های الکتریکی، پرتوهای مرئی و مادون قرمز بدون تعامل از یکدیگر عبور می‌کنند. حتی زمانی که آنها اساساً به دو بعد محدود می شوند، پرتوهای لیزری زیادی (یا بسیاری) می توانند به گونه ای تابیده شوند که مسیرهای آنها متقاطع شود، اما هیچ تداخلی بین پرتوها وجود ندارد. سیم کشی سه بعدی مهم است زیرا جریان های الکتریکی باید به اطراف یکدیگر هدایت شوند. در نتیجه، یک کامپیوتر نوری علاوه بر اینکه به طور قابل توجهی سریعتر از کامپیوتر الکترونیکی است، ممکن است کوچکتر نیز باشد.

اگرچه برخی از مهندسان پیش‌بینی می‌کنند که محاسبات نوری در آینده گسترده خواهد شد، اما اکثر متخصصان موافق هستند که تغییرات به تدریج در بخش‌های خاص اتفاق می‌افتد. مدارهای مجتمع نوری وجود دارند که توسعه و تولید شده اند. (مدارهای نوری در ساخت حداقل یک کامپیوتر با امکانات کامل، البته تا حدودی بزرگ، استفاده شده است.) با تقسیم تصویر به وکسل، یک ویدیوی سه بعدی و تمام حرکت ممکن است از طریق شبکه ای از فیبرها پخش شود. اگرچه تکانه های داده ای که برای کنترل برخی دستگاه های نوری استفاده می شوند، نور مرئی یا امواج مادون قرمز هستند، جریان های الکترونیکی می توانند آنها را به کار گیرند.

ارتباطات دیجیتال، جایی که انتقال داده فیبر نوری در حال حاضر رایج است، جایی است که فناوری نوری بیشترین پیشرفت را داشته است. هدف نهایی شبکه فوتونیک است که در آن هر منبع و مقصد فقط با فوتون های مرئی و فروسرخ به هم متصل می شوند. پرینترهای لیزری، دستگاه های فتوکپی، اسکنرها و درایوهای CD-ROM و بستگان آنها همگی از فناوری نوری استفاده می کنند. با این حال، همه این دستگاه ها تا حدی به مدارها و قطعات الکترونیکی معمولی متکی هستند. هیچ یک از آنها کاملاً نوری نیستند.

محاسبات نوری چگونه کار می کند؟

محاسبات نوری شبیه محاسبات سنتی است که از گیت های منطقی و روتین های باینری برای انجام محاسبات استفاده می کند. با این حال، در نحوه انجام این محاسبات متفاوت است. در محاسبات نوری، فوتون ها توسط LED ها، لیزرها و دستگاه های دیگر تولید می شوند و برای رمزگذاری داده ها به روشی مشابه الکترون ها در محاسبات سنتی استفاده می شوند. این امکان محاسبات بسیار سریعتر و کارآمدتر را فراهم می کند، زیرا فوتون ها می توانند به راحتی دستکاری و کنترل شوند تا طیف وسیعی از وظایف را انجام دهند.

---

IIoT و محاسبات لبه ای در بسیاری از صنایع مورد توجه قرار گرفته اند

---

با هدف نهایی توسعه یک کامپیوتر نوری، مطالعاتی با تمرکز بر طراحی و اجرای ترانزیستورهای نوری وجود دارد. یک پرتو نور را می توان به طور موثر توسط یک صفحه قطبش که 90 درجه می چرخد ​​مسدود کرد. اجزای دی الکتریک که ظرفیت عمل به عنوان پلاریزه کننده را دارند نیز برای ایجاد ترانزیستورهای نوری استفاده می شوند. علیرغم برخی مشکلات فنی، گیت های منطقی نوری اساسا امکان پذیر هستند. آنها از یک کنترل واحد و پرتوهای متعدد تشکیل می شوند که نتایج منطقی درستی را ارائه می دهند.

یکی از مزیت های اصلی رایانه های الکترونیکی سنتی این است که از کانال های سیلیکونی و سیم های مسی می توان برای هدایت و کنترل حرکت الکترون ها استفاده کرد. این امکان محاسبات کارآمد و قابل اعتماد را فراهم می کند.

در محاسبات نوری، اثر مشابهی را می توان با استفاده از نانوذرات پلاسمونیک به دست آورد. این ذرات می‌توانند حرکت فوتون‌ها را هدایت و کنترل کنند و به آن‌ها اجازه می‌دهند بدون از دست دادن قابل توجه نیرو یا تبدیل به الکترون، به گوشه‌ها بپیچند و به مسیر خود ادامه دهند. این امکان ایجاد دستگاه های محاسباتی نوری فشرده و کارآمد را فراهم می کند.

بیشتر بخش‌های یک تراشه نوری شبیه به تراشه‌های رایانه‌ای سنتی هستند که از الکترون‌ها برای پردازش و تبدیل اطلاعات استفاده می‌شود. با این حال، اتصالات، که برای انتقال اطلاعات بین مناطق مختلف تراشه استفاده می شود، به طور قابل توجهی تغییر کرده است.

در محاسبات نوری، از نور به جای الکترون ها برای انتقال اطلاعات استفاده می شود. این به این دلیل است که نور را می توان به راحتی مهار کرد و این مزیت از دست رفتن اطلاعات کمتر در طول سفر است. این به ویژه در شرایطی مفید است که اتصالات ممکن است گرم شوند، که می تواند حرکت الکترون ها را کند کند. با استفاده از نور برای جابجایی اطلاعات، می‌توان دستگاه‌های محاسباتی نوری سریع‌تر و کارآمدتری ایجاد کرد.

محققان امیدوارند که استفاده از نور برای جابجایی اطلاعات در محاسبات نوری منجر به توسعه رایانه‌های اگزاسال شود. کامپیوترهای Exascale قادر به انجام میلیاردها محاسبه در هر ثانیه هستند که 1000 برابر سریعتر از سریعترین سیستمهای فعلی است. با استفاده از نور برای ارتباط، می توان به این سطح از سرعت پردازش دست یافت و در نتیجه دستگاه های محاسباتی قدرتمندتر و کارآمدتری به دست آورد.

مزایا و معایب محاسبات نوری

مزایای محاسبات نوری عبارتند از:

• چگالی سریع، اندازه کوچک، حداقل گرمایش اتصال، سرعت بالا، مقیاس بندی پویا و قابلیت پیکربندی مجدد در شبکه ها/توپولوژی های کوچکتر/بزرگتر، قابلیت محاسبات موازی گسترده و برنامه های کاربردی هوش مصنوعی تنها تعدادی از مزایای اصلی کامپیوترهای نوری هستند.
• اتصالات نوری علاوه بر سرعت، مزایای مختلفی نیز دارند. آنها مستعد اتصال کوتاه الکتریکی نیستند و در برابر تداخل الکترومغناطیسی مصون هستند.
• آنها انتقال کم تلفات و پهنای باند زیادی را فراهم می کنند و چندین کانال را قادر می سازند تا به طور همزمان با هم ارتباط برقرار کنند.
• پردازش داده ها در قطعات نوری ارزان تر و ساده تر از پردازش داده ها در قطعات الکترونیکی است.
• فوتون ها به سرعت الکترون ها با یکدیگر برهمکنش نمی کنند زیرا باردار نیستند. این مزیت بیشتری دارد زیرا عملکرد دوطرفه کامل به پرتوهای نور اجازه می دهد تا از روی یکدیگر عبور کنند.
• در مقایسه با مواد مغناطیسی، مواد نوری در دسترس تر هستند و چگالی ذخیره سازی بالاتری دارند.

معایب محاسبات نوری عبارتند از:

• ایجاد بلورهای فوتونی دشوار است.
• به دلیل تعامل چندین سیگنال، محاسبات فرآیند پیچیده ای است.
• نمونه های اولیه رایانه های نوری کنونی از نظر اندازه بسیار حجیم هستند. 

محاسبات نوری در مقابل محاسبات کوانتومی

محاسبات نوری و محاسبات کوانتومی دو فناوری متفاوت هستند که پتانسیل ایجاد انقلابی در نحوه تفکر ما در مورد محاسبات و پردازش داده ها دارند.

محاسبات نوری از نور برای انجام محاسبات و وظایف پردازش داده ها استفاده می کند، در حالی که محاسبات کوانتومی از اصول مکانیک کوانتومی برای انجام محاسبات استفاده می کند.

---

رایانه های Qudit با فراتر رفتن از سیستم باینری، امکانات بی پایانی را باز می کنند

---

یکی از تفاوت های کلیدی بین این دو فناوری سرعتی است که آنها قادر به انجام محاسبات هستند. محاسبات نوری قادر است با سرعت بسیار بالاتری نسبت به محاسبات الکترونیکی سنتی کار کند و همچنین در برخی موارد سریعتر از محاسبات کوانتومی است. این به دلیل این واقعیت است که فوتون ها، ذرات نور مورد استفاده در محاسبات نوری، می توانند به راحتی دستکاری و کنترل شوند تا طیف وسیعی از وظایف را انجام دهند.

از سوی دیگر، محاسبات کوانتومی پتانسیل حل مشکلات خاصی را دارد که در حال حاضر فراتر از توانایی‌های پیشرفته‌ترین رایانه‌ها هستند. این به دلیل ویژگی های منحصر به فرد مکانیک کوانتومی است که امکان ایجاد حالت های بسیار پیچیده و درهم تنیده را فراهم می کند که می توان از آنها برای انجام محاسبات استفاده کرد.

به طور کلی، محاسبات نوری و محاسبات کوانتومی پتانسیل ایجاد انقلابی در زمینه محاسبات و پردازش داده ها را دارند. در حالی که آنها نقاط قوت و محدودیت های متفاوتی دارند، هر دو فناوری امکانات جدید هیجان انگیزی را برای حل مشکلات پیچیده و پیشبرد درک ما از جهان ارائه می دهند.

شرکت های محاسبات نوری

اگر علاقه مند به کسب اطلاعات بیشتر هستید، ما فهرست کاملی از بهترین شرکت های محاسبات کوانتومی را گردآوری کرده ایم!

فناوری‌های کوانتومی زانادو

تجارت فناوری کانادا فناوری‌های کوانتومی زانادو تامین کننده اصلی سخت افزار محاسبات کوانتومی فوتونیکی است.

هدف Xanadu، شرکتی که در سال 2016 توسط مدیرعامل کریستین ویدبروک تأسیس شد، ایجاد رایانه‌های کوانتومی است که برای همه در دسترس و مفید باشد. این شرکت برای دستیابی به این هدف یک استراتژی کامل را اتخاذ کرده است و سخت افزار، نرم افزار را توسعه می دهد و با شرکای منتخب درگیر تحقیقات پیشرفته می شود.

با کمک کتابخانه برنامه Strawberry Fields و سرویس Xanadu Quantum Cloud (XQC)، کسب و کارها و دانشگاهیان اکنون می توانند از رایانه های کوانتومی فوتونیک Xanadu استفاده کنند.

از طریق ایجاد PennyLane، یک پروژه منبع باز که به یک کتابخانه نرم افزار برتر در میان محققان و توسعه دهندگان کوانتومی تبدیل شده است، این تجارت همچنین در حال توسعه زمینه یادگیری ماشین کوانتومی (QML) است.

PsiQuantum

هدف از PsiQuantumگروهی از فیزیکدانان کوانتومی، نیمه هادی ها، سیستم ها و مهندسین نرم افزار، معماران سیستم و دیگران قرار است اولین کامپیوتر کوانتومی مفید را با استفاده از رویکرد فوتونیک بسازند زیرا فکر می کنند که مزایای فنی در مقیاس مورد نیاز برای تصحیح خطا ارائه می دهد. آنها با تمرکز بر یک کامپیوتر کوانتومی 1 میلیون کیوبیتی توجه رسانه ها را به خود جلب کردند.

PsiQuantum در سال 2015 توسط Jeremy O'Brien، Terry Rudolph، Pete Shadbolt و Mark Thompson تأسیس شد و دفتر مرکزی آن در Silicon Valley، مرکز نوآوری فناوری، قرار دارد.

ORCA Computing

بر اساس تحقیقات گروه اپتیک کوانتومی فوق سریع و غیرخطی پروفسور یان والمزلی در دانشگاه آکسفورد، ORCA در لندن توسط دانشمندان و بازرگانان ماهر تأسیس شد. ایان والمزلی، جاش نون و کریس کازمارک در گروه دریافتند که حافظه‌های کوانتومی «کوتاه‌مدت» ممکن است فعالیت‌های فوتونیک را همگام‌سازی کنند و محاسبات کوانتومی را واقعاً مقیاس‌پذیر کنند.

با استفاده از حافظه کوانتومی ORCA برای رفع این مشکل افزونگی، ORCA پتانسیل فوتونیک کوانتومی را بدون معاوضه شدید روش‌های رقیب باز می‌کند.

ORCA در سال 2019 توسط ایان والمسلی، ریچارد موری، جاش نون و کریستینا اسکودا تأسیس شد و مقر آن در لندن است.

کواندلا

یک شرکت جدید به نام کواندلا به ایجاد دستگاه های کاربردی برای تحقیق در فوتونیک، کامپیوترهای کوانتومی و اطلاعات کوانتومی اختصاص دارد.

این منبع نور کوانتومی حالت جامد متمایز ایجاد می کند. نسل جدیدی از کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر دستکاری نور با استفاده از این منابع توسعه یافته است.

در سال 2017، والرین گیز، پاسکال سنلارت و نیکولو سوماشی این شرکت فوتونیک را در پاریس ایجاد کردند.

TundraSystems Global

برایان آنتائو تاسیس شد TundraSystems Global در کاردیف، ولز، برای ایجاد پیشرفت‌های متعدد از منابع مختلف دانشگاهی، مانند دانشگاه بریستول، MIT، مرکز فناوری کوانتومی بریتانیا، و غیره، در راه‌حل‌های محاسباتی در یک رژیم کاملاً نوری با استفاده از پایه بنیادی. مکانیک کوانتومی

هدف نهایی سازمان ایجاد و توزیع راه حل های نوآورانه فناوری کوانتومی است. ساخت کتابخانه ای برای فناوری فوتونیک کوانتومی توندرا گام اولیه در فرآیند توسعه است. این یکی از عناصر استراتژی سیستم Tundra است زیرا برای ایجاد TundraProcessor، یک ریزپردازنده کوانتومی فوتونیک کاملاً کاربردی، کار می کند. یک سیستم HPC جامع که پردازنده Tundra را احاطه کرده است ممکن است با کمک این کتابخانه ساخته شود، که همچنین باید تکامل اکوسیستم مدارهای مجتمع فوتونیک را آسان‌تر کند.

نتیجه

در پایان، ما شاهد پیشرفت های هیجان انگیز در استفاده از لیزر و نور در محاسبات هستیم. همانطور که فناوری نوری به پیشرفت خود ادامه می دهد، می توان انتظار داشت که در طیف گسترده ای از کاربردها، از شبکه های پردازش موازی و ذخیره سازی تا شبکه های داده های نوری و دستگاه های ذخیره سازی بیومتریک، از آن استفاده شود.

پردازنده‌های رایانه‌های امروزی اکنون حاوی آشکارسازهای نور و لیزرهای کوچکی هستند که انتقال داده‌ها را از طریق فیبرهای نوری تسهیل می‌کنند. برخی از شرکت ها حتی در حال توسعه پردازنده های نوری هستند که از سوئیچ های نوری و نور لیزر برای انجام محاسبات استفاده می کنند. اینتل، یکی از حامیان اصلی این فناوری، در حال ایجاد یک پیوند فوتونیک سیلیکونی یکپارچه است که می تواند 50 گیگابایت در ثانیه اطلاعات بدون وقفه را منتقل کند.

---

یک مدل عصبی محاسباتی جدید می تواند تحقیقات هوش مصنوعی عصبی را پیش ببرد

---

کامپیوترهای آینده ممکن است بدون صفحه نمایش عرضه شوند و اطلاعات از طریق هولوگرام های موجود در هوای بالای صفحه کلید ارائه شود. این فناوری با همکاری محققان و کارشناسان صنعتی امکان پذیر است. علاوه بر این، پیش‌بینی می‌شود که استفاده عملی از فناوری نوری در قالب شبکه‌های نوری هر سال رشد کند.

فناوری نوری با پتانسیل خود برای محاسبات پرسرعت و کارآمد، آماده است تا طرز تفکر ما در مورد محاسبات و پردازش داده را متحول کند.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• پلاتوبلاک چین. Web3 Metaverse Intelligence. دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• منبع: https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/