Integroidun fotoniikan nousu: Kuinka valo muuttaa tietojenkäsittelyn kasvoja?

Optinen tietojenkäsittely on vallankumouksellinen tekniikka, joka voi muuttaa tapaamme ajatella laskennasta. Toisin kuin perinteiset tietokoneet, jotka käyttävät sähköisiä signaaleja laskelmien suorittamiseen, optinen tietojenkäsittely käyttää valoa. Tämä mahdollistaa paljon suuremman tiedonkäsittelytiheyden, mikä mahdollistaa suurten ja monimutkaisten laskelmien suorittamisen uskomattoman nopeilla nopeuksilla.

Yksi optisen laskennan avainteknologioista on fotonilaskenta, joka käyttää fotoneja laskujen suorittamiseen elektronien sijaan. Tämä mahdollistaa tehokkaamman ja synteettisemmän lähestymistavan laskemiseen, koska fotoneja voidaan helposti manipuloida ja ohjata monenlaisten tehtävien suorittamiseksi.

Toinen avainteknologia optisen laskennan alalla on integroitu fotoniikka. Tämä viittaa fotonikomponenttien integrointiin yhdeksi kompaktiksi laitteeksi, mikä mahdollistaa tehokkaamman ja skaalautuvamman lähestymistavan laskentaan.

Kaiken kaikkiaan näiden tekniikoiden käyttö voi mullistaa tapamme ajatella laskennasta ja tietojenkäsittelystä. Optisen tietojenkäsittelyn avulla voimme ratkaista ongelmia, jotka tällä hetkellä ylittävät edistyneimpien tietokoneiden kyvyt, ja tehdä sen nopeuksilla, joita nykytekniikalla ei voi kuvitella.

Tutkijat ovat löytäneet tavan käyttää valopohjaisia ​​logiikkaportteja, jotka ovat miljoona kertaa nopeampia kuin perinteiset elektroniset logiikkaportit, joita löytyy perinteisistä tietokoneprosessoreista. Nämä logiikkaportit, jotka koostuvat Boolen funktioista ja suorittavat binäärirutiineja, ajetaan tyypillisesti elektronisesti. Uusi menetelmä käyttää kuitenkin valoa samojen toimintojen suorittamiseen, mikä johtaa huomattavasti nopeampiin käsittelynopeuksiin.

Tämä todettiin AALTO-yliopistossa tehdyssä tutkimuksessa julkaistiin Science Advances -lehdessä.

Mitä on optinen tietojenkäsittely?

Optinen tietokone, joka tunnetaan myös nimellä fotonitietokone, on laite, joka suorittaa digitaalisia laskelmia käyttämällä fotoneja näkyvässä valossa tai infrapunasäteissä (IR) sähkövirran sijaan. Sähkövirran nopeus on vain 10 % valon nopeudesta. Yksi syy, joka johti optisen kuidun kehittämiseen, oli tiedonsiirtonopeuden rajoittaminen pitkiä matkoja. Tietokone, joka pystyy suorittamaan prosesseja kymmenen tai enemmänkin perinteistä elektronista tietokonetta nopeammin, voidaan jonain päivänä luoda toteuttamalla joitain näkyvien ja/tai IR-verkkojen etuja laitteen ja komponentin koossa.

Toisin kuin sähkövirrat, näkyvät ja infrapunasäteet kulkevat toistensa yli ilman vuorovaikutusta. Vaikka ne on rajoitettu olennaisesti kahteen ulottuvuuteen, monet (tai monet) lasersäteet voidaan valaista siten, että niiden polut risteävät, mutta säteiden välillä ei ole häiriöitä. Kolmiulotteinen johdotus on tärkeää, koska sähkövirrat on suunnattava toistensa ympärille. Tämän seurauksena optinen tietokone voi myös olla pienempi ja huomattavasti nopeampi kuin elektroninen.

Vaikka jotkut insinöörit ennustavat optisen tietojenkäsittelyn yleistyvän tulevaisuudessa, useimmat asiantuntijat ovat yhtä mieltä siitä, että muutokset tapahtuvat asteittain tietyissä markkinaraoissa. On olemassa joitain optisia integroituja piirejä, joita on kehitetty ja valmistettu. (Optisia piirejä on käytetty ainakin yhden täysin varustetun, vaikkakin jonkin verran suuren tietokoneen rakentamisessa.) Jakamalla kuva vokseleiksi, kolmiulotteinen, täysliikevideo voidaan lähettää kuituverkon kautta. Vaikka joidenkin optisten laitteiden ohjaamiseen käytettävät dataimpulssit ovat näkyvää valoa tai infrapuna-aaltoja, elektroniset virrat voivat silti ohjata niitä.

Digitaalisessa viestinnässä, jossa valokuitutiedonsiirto on jo yleistä, optinen teknologia on kehittynyt eniten. Lopullisena tavoitteena on ns. fotoniverkko, jossa jokainen lähde ja kohde on yhdistetty vain näkyvällä ja infrapunafotoneilla. Lasertulostimet, kopiokoneet, skannerit ja CD-ROM-asemat sekä niiden sukulaiset käyttävät optista tekniikkaa. Kaikki nämä laitteet ovat kuitenkin jossain määrin riippuvaisia ​​tavallisista elektronisista piireistä ja osista; mikään niistä ei ole täysin optinen.

Miten optinen laskenta toimii?

Optinen laskenta muistuttaa perinteistä laskentaa siinä mielessä, että se käyttää loogisia portteja ja binäärirutiineja laskelmien suorittamiseen. Se eroaa kuitenkin tavasta, jolla nämä laskelmat suoritetaan. Optisessa laskennassa fotoneja tuottavat LEDit, laserit ja muut laitteet, ja niitä käytetään datan koodaamiseen samalla tavalla kuin elektronit perinteisessä laskennassa. Tämä mahdollistaa paljon nopeamman ja tehokkaamman laskennan, koska fotoneja voidaan helposti manipuloida ja ohjata monenlaisten tehtävien suorittamiseksi.

---

IIoT ja reunalaskenta ovat saamassa vetovoimaa monilla toimialoilla

---

Optisen tietokoneen kehittämisen lopullisena tavoitteena on tutkimuksia, jotka keskittyvät optisten transistorien suunnitteluun ja toteutukseen. Valosäde voidaan estää tehokkaasti polarisoivalla näytöllä, joka pyörii 90 astetta. Dielektrisiä komponentteja, jotka voivat toimia polarisaattoreina, käytetään myös optisten transistorien luomiseen. Joistakin teknisistä vaikeuksista huolimatta optiset logiikkaportit ovat pohjimmiltaan mahdollisia. Ne koostuisivat yhdestä ohjauksesta ja useista säteistä, jotka antaisivat oikeat loogiset tulokset.

Yksi perinteisten elektronisten tietokoneiden suuri etu on, että piikanavia ja kuparijohtoja voidaan käyttää ohjaamaan ja ohjaamaan elektronien liikettä. Tämä mahdollistaa tehokkaan ja luotettavan laskennan.

Optisessa laskennassa samanlainen vaikutus voidaan saavuttaa käyttämällä plasmonisia nanohiukkasia. Nämä hiukkaset voivat ohjata ja ohjata fotonien liikettä, jolloin ne voivat kääntyä kulmiin ja jatkaa matkaansa ilman merkittävää tehon menetystä tai muuntumista elektroneiksi. Tämä mahdollistaa kompaktien ja tehokkaiden optisten laskentalaitteiden luomisen.

Suurin osa optisen sirun osista on samanlaisia ​​kuin perinteinen tietokonesiru, jossa elektroneja käytetään tietojen käsittelyyn ja muuntamiseen. Yhteysliitäntöjä, joita käytetään tiedon siirtämiseen sirun eri alueiden välillä, on kuitenkin muutettu merkittävästi.

Optisessa laskennassa valoa käytetään elektronien sijasta tiedon siirtämiseen. Tämä johtuu siitä, että valo voidaan hillitä helposti ja sen etuna on vähemmän tiedon menetystä matkan aikana. Tämä on erityisen hyödyllistä tilanteissa, joissa liitännät voivat kuumentua, mikä voi hidastaa elektronien liikettä. Käyttämällä valoa tiedonsiirtoon on mahdollista luoda nopeampia ja tehokkaampia optisia laskentalaitteita.

Tutkijat toivovat, että valon käyttö tiedonsiirrossa optisessa laskennassa johtaa eksakokoisten tietokoneiden kehittämiseen. Exascale-tietokoneet pystyvät suorittamaan miljardeja laskelmia sekunnissa, mikä on 1000 kertaa nopeampi kuin nykyiset nopeimmat järjestelmät. Käyttämällä valoa viestinnässä on mahdollista saavuttaa tämä käsittelynopeus, mikä johtaa tehokkaampiin ja tehokkaampiin tietokoneisiin.

Optisen laskennan edut ja haitat

Optisen laskennan edut ovat:

• Nopea tiheys, pieni koko, minimaalinen liitoslämmitys, suuri nopeus, dynaaminen skaalaus ja uudelleenkonfiguroitavuus pienempiin/suurempiin verkkoihin/topologioihin, laaja rinnakkaislaskentakyky ja tekoälysovellukset ovat vain muutamia optisten tietokoneiden tärkeimmistä eduista.
• Optisilla liitännöillä on nopeuden lisäksi erilaisia ​​etuja. Ne eivät ole alttiita sähköisille oikosuluille ja ovat immuuneja sähkömagneettisille häiriöille.
• Ne tarjoavat vähähäviöisen lähetyksen ja paljon kaistanleveyttä, mikä mahdollistaa useiden kanavien viestinnän samanaikaisesti.
• Optisten komponenttien tietojenkäsittely on halvempaa ja yksinkertaisempaa kuin elektronisten komponenttien tietojenkäsittely.
• Fotonit eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa yhtä nopeasti kuin elektronit, koska ne eivät ole varautuneet. Tästä on lisäetua, koska kaksisuuntaisen toiminnan ansiosta valonsäteet kulkevat toistensa poikki.
• Magneettisiin materiaaleihin verrattuna optiset materiaalit ovat helpommin saatavilla ja niillä on suurempi varastointitiheys.

Optisen laskennan haitat ovat:

• Fotonikiteiden kehittäminen on vaikeaa.
• Useiden signaalien vuorovaikutuksen vuoksi laskenta on monimutkainen prosessi.
• Nykyiset optisten tietokoneiden prototyypit ovat kooltaan melko isoja. 

Optinen laskenta vs kvanttilaskenta

Optinen laskenta ja kvanttilaskenta ovat kaksi erilaista tekniikkaa, jotka voivat mullistaa tapamme ajatella laskennasta ja tietojenkäsittelystä.

Optinen laskenta käyttää valoa laskelmien ja tietojenkäsittelytehtävien suorittamiseen, kun taas kvanttilaskenta käyttää kvanttimekaniikan periaatteita laskelmien suorittamiseen.

---

Qudit-tietokoneet avaavat loputtomasti mahdollisuuksia ylittämällä binäärijärjestelmän

---

Yksi tärkeimmistä eroista näiden kahden tekniikan välillä on nopeus, jolla ne pystyvät suorittamaan laskelmia. Optinen laskenta pystyy toimimaan paljon suuremmilla nopeuksilla kuin perinteinen elektroninen laskenta ja se on joissain tapauksissa myös nopeampaa kuin kvanttilaskenta. Tämä johtuu siitä, että fotoneja, optisessa laskennassa käytettyjä valon hiukkasia, voidaan helposti manipuloida ja ohjata monenlaisten tehtävien suorittamiseksi.

Toisaalta kvanttilaskenta pystyy ratkaisemaan tiettyjä ongelmia, jotka ovat tällä hetkellä edistyneimpienkin tietokoneiden kykyjen ulkopuolella. Tämä johtuu kvanttimekaniikan ainutlaatuisista ominaisuuksista, jotka mahdollistavat erittäin monimutkaisten ja sotkeutuneiden tilojen luomisen, joita voidaan käyttää laskelmien suorittamiseen.

Kaiken kaikkiaan sekä optinen laskenta että kvanttilaskenta voivat mullistaa laskennan ja tietojenkäsittelyn. Vaikka niillä on erilaisia ​​vahvuuksia ja rajoituksia, molemmat teknologiat tarjoavat jännittäviä uusia mahdollisuuksia ratkaista monimutkaisia ​​ongelmia ja edistää ymmärrystämme maailmasta.

Optisten tietojenkäsittelyalan yritykset

Jos olet kiinnostunut oppimaan lisää, olemme koonneet perusteellisimman luettelon parhaista kvanttilaskentayrityksistä!

Xanadu Quantum Technologies

Kanadan teknologiayritys Xanadu Quantum Technologies on merkittävä fotonisten kvanttilaskentalaitteiden toimittaja.

Toimitusjohtaja Christian Weedbrookin vuonna 2016 perustaman Xanadu-yrityksen tavoitteena on luoda kvanttitietokoneita, jotka ovat kaikkien saatavilla ja hyödyllisiä. Yhtiö on omaksunut täyden pinon strategian tämän tavoitteen saavuttamiseksi ja kehittää laitteistoja, ohjelmistoja ja tekee huippututkimusta valittujen kumppaneiden kanssa.

Strawberry Fields -sovelluskirjaston ja Xanadu Quantum Cloud (XQC) -palvelun avulla yritykset ja tutkijat voivat nyt alkaa käyttää Xanadun fotonisia kvanttitietokoneita.

Luomalla PennyLane, avoimen lähdekoodin projekti, joka on kasvanut johtavaksi ohjelmistokirjastoksi kvanttitutkijoiden ja -kehittäjien keskuudessa, yritys kehittää myös kvanttikoneoppimisen (QML) alaa.

PsiQuantum

Tavoitteena PsiQuantum, ryhmä kvanttifyysikoita, puolijohde-, järjestelmä- ja ohjelmistoinsinöörejä, järjestelmäarkkitehteja ja muita aikoo luoda ensimmäisen hyödyllisen kvanttitietokoneen käyttämällä fotonista lähestymistapaa, koska heidän mielestään se tarjoaa teknisiä etuja virheenkorjaukseen tarvittavassa mittakaavassa. He herättivät mediahuomiota keskittymällä miljoonan kubitin kvanttitietokoneeseen.

PsiQuantumin perustivat Jeremy O'Brien, Terry Rudolph, Pete Shadbolt ja Mark Thompson vuonna 2015, ja sen pääkonttori sijaitsee Piilaaksossa, teknologiainnovaatioiden keskuksessa.

ORCA Computing

Perustuu Oxfordin yliopiston professori Ian Walmsleyn Ultra-Fast and Non-linear Quantum Optics Groupin tutkimukseen. ORCA perustivat Lontoossa ammattitaitoiset tiedemiehet ja liikemiehet. Ian Walmsley, Josh Nunn ja Kris Kaczmarek ryhmässä ymmärsivät, että "lyhytaikaiset" kvanttimuistit voivat synkronoida fotonisia toimintoja ja tehdä kvanttilaskennasta aidosti skaalautuvaa.

Hyödyntämällä ORCA-kvanttimuistia tämän redundanssiongelman ratkaisemiseksi ORCA vapauttaa kvanttifotoniikan mahdollisuudet ilman kilpailevien menetelmien vakavia kompromisseja.

ORCA:n perustivat vuonna 2019 Ian Walmsley, Richard Murray, Josh Nunn ja Cristina Escoda, ja sen kotipaikka on Lontoossa.

Quandela

Uusi yritys ns Quandela on omistettu toiminnallisten laitteiden luomiseen fotoniikan, kvanttitietokoneiden ja kvanttiinformaation tutkimukseen.

Se luo ainutlaatuisia solid-state kvanttivalolähteitä. Näitä lähteitä käyttämällä kehitetään uuden sukupolven kvanttitietokoneita, jotka perustuvat valon käsittelyyn.

Vuonna 2017 Valerian Giesz, Pascale Senellart ja Niccolo Somaschi loivat tämän fotoniikkayrityksen Pariisissa.

TundraSystems Global

Brian Antao perusti TundraSystems Global Cardiffissa Walesissa rakentaa alusta alkaen lukuisia kehityssuuntia useista eri akateemisista lähteistä, kuten Bristolin yliopistosta, MIT:stä, UK Quantum Technology Hubsista jne., laskennallisia ratkaisuja täysin optisessa järjestelmässä käyttäen perustavaa perustaa. kvanttimekaniikasta.

Organisaation perimmäisenä tavoitteena on luoda ja levittää innovatiivisia kvanttiteknologiaratkaisuja. Tundra Quantum Photonics Technologyn kirjaston tekeminen on kehitysprosessin ensimmäinen vaihe. Tämä on osa Tundra Systemin strategiaa, sillä se pyrkii luomaan TundraProcessorin, täysin toimivan kvanttifotoniikan mikroprosessorin. Tämän kirjaston avulla voidaan rakentaa TundraProcessoria ympäröivä kattava HPC-järjestelmä, jonka pitäisi myös helpottaa fotonisten integroitujen piirien ekosysteemin kehittymistä.

Yhteenveto

Yhteenvetona voidaan todeta, että näemme jännittävää kehitystä lasereiden ja valon käytössä tietojenkäsittelyssä. Optisen tekniikan kehittyessä sitä voidaan odottaa käytettävän monenlaisissa sovelluksissa rinnakkaisista käsittely- ja tallennusalueverkoista optisiin tietoverkkoihin ja biometrisiin tallennuslaitteisiin.

Nykypäivän tietokoneiden prosessorit sisältävät nyt valonilmaisimia ja pieniä lasereita, jotka helpottavat tiedonsiirtoa optisten kuitujen kautta. Jotkut yritykset jopa kehittävät optisia prosessoreita, jotka käyttävät optisia kytkimiä ja laservaloa laskelmien suorittamiseen. Intel, yksi tämän tekniikan johtavista kannattajista, on luomassa integroitua piifotoniikkalinkkiä, joka voi siirtää 50 gigatavua sekunnissa keskeytymätöntä tietoa.

---

Uusi neurolaskentamalli voisi edistää hermoston tekoälytutkimusta

---

Tulevat tietokoneet saattavat tulla ilman näyttöjä, jolloin tiedot esitetään hologrammeina ilmassa näppäimistön yläpuolella. Tämä teknologia on mahdollista tutkijoiden ja teollisuuden asiantuntijoiden yhteistyön kautta. Lisäksi optisen teknologian käytännön käytön optisen verkottumisen muodossa ennustetaan kasvavan vuosi vuodelta.

Optinen teknologia tarjoaa mahdollisuuden nopeaan ja tehokkaaseen laskentaan, ja se on valmis mullistamaan tapamme ajatella laskennasta ja tietojenkäsittelystä.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/