Az integrált fotonika térnyerése: Hogyan változtatja meg a fény a számítástechnika arculatát?

Az optikai számítástechnika egy forradalmi technológia, amely képes megváltoztatni a számítással kapcsolatos gondolkodásunkat. A hagyományos számítógépekkel ellentétben, amelyek elektromos jeleket használnak a számításokhoz, az optikai számítástechnika fényt használ. Ez sokkal nagyobb gyakoriságú adatfeldolgozást tesz lehetővé, lehetővé téve a nagy és összetett számítások hihetetlenül gyors futtatását.

Az optikai számítástechnika mögött meghúzódó egyik kulcsfontosságú technológia a fotonikus számítástechnika, amely elektronok helyett fotonokat használ a számításokhoz. Ez hatékonyabb és szintetikusabb számítási megközelítést tesz lehetővé, mivel a fotonok könnyen manipulálhatók és vezérelhetők a feladatok széles skálája érdekében.

Az optikai számítástechnika területén egy másik kulcsfontosságú technológia az integrált fotonika. Ez a fotonikus komponensek egyetlen, kompakt eszközbe történő integrálására vonatkozik, amely hatékonyabb és skálázhatóbb számítási megközelítést tesz lehetővé.

Összességében ezeknek a technológiáknak a használata képes forradalmasítani a számításokról és az adatfeldolgozásról alkotott gondolkodásunkat. Az optikai számítástechnikával olyan problémákat tudunk megoldani, amelyek jelenleg még a legfejlettebb számítógépek képességeit is meghaladják, és ezt a mai technológiákkal elképzelhetetlen sebességgel.

A kutatók felfedezték a fényalapú logikai kapuk működtetésének módját, amelyek milliószor gyorsabbak, mint a hagyományos számítógépes processzorokban található hagyományos elektronikus logikai kapuk. Ezek a logikai kapuk, amelyek logikai függvényekből állnak és bináris rutinokat futtatnak, általában elektronikusan futnak. Az új módszer azonban fényt használ ugyanazon funkciók végrehajtására, ami lényegesen gyorsabb feldolgozási sebességet eredményez.

Ezt az AALTO Egyetemen végzett vizsgálat és a Science Advances folyóiratban jelent meg.

Mi az optikai számítástechnika?

Az optikai számítógép, más néven fotonikus számítógép, olyan eszköz, amely digitális számításokat végez látható fényben vagy infravörös (IR) nyalábban lévő fotonok felhasználásával, nem elektromos árammal. Az elektromos áram sebessége a fénysebesség mindössze 10%-a. Az egyik ok, ami az optikai szálak kifejlesztéséhez vezetett, az volt, hogy korlátozták az adatok nagy távolságra történő átvitelének sebességét. A látható és/vagy infravörös hálózatok egyes előnyeinek eszköz- és alkatrészméretben való megvalósításával egy napon létrejöhet egy olyan számítógép, amely tízszer vagy többször gyorsabban képes a folyamatokat elvégezni, mint egy hagyományos elektronikus számítógép.

Ellentétben az elektromos árammal, a látható és infravörös sugarak kölcsönhatás nélkül áramlanak át egymáson. Még akkor is, ha lényegében két dimenzióra vannak kényszerítve, sok (vagy sok) lézersugarat meg lehet világítani úgy, hogy útjaik keresztezzék egymást, de a sugarak között nincs interferencia. A háromdimenziós vezetékezés azért fontos, mert az elektromos áramokat egymás köré kell irányítani. Ennek eredményeként az optikai számítógép kisebb is lehet, amellett, hogy lényegesen gyorsabb, mint egy elektronikus.

Bár egyes mérnökök azt jósolják, hogy az optikai számítástechnika a jövőben széles körben elterjedni fog, a legtöbb szakértő egyetért abban, hogy a változások fokozatosan mennek végbe bizonyos réseken. Vannak olyan optikai integrált áramkörök, amelyeket fejlesztettek és gyártottak. (Optikai áramköröket használtak legalább egy teljes értékű, bár kissé nagy számítógép felépítésében.) A kép voxelekre osztásával háromdimenziós, teljes mozgású videó sugározható szálak hálózatán keresztül. Annak ellenére, hogy egyes optikai eszközök vezérlésére használt adatimpulzusok látható fény vagy infravörös hullámok, az elektronikus áramok mégis képesek működtetni őket.

A digitális kommunikációban, ahol már elterjedt a száloptikai adatátvitel, az optikai technológia fejlődött a legtöbbet. A végső cél az úgynevezett fotonikus hálózat, ahol az egyes forrásokat és célpontokat csak látható és infravörös fotonok kötik össze. A lézernyomtatók, fénymásolók, szkennerek, CD-ROM meghajtók és hozzátartozóik mind optikai technológiát használnak. Mindezek az eszközök azonban bizonyos mértékig hagyományos elektronikus áramkörökre és alkatrészekre támaszkodnak; egyik sem teljesen optikai.

Hogyan működik az optikai számítástechnika?

Az optikai számítástechnika hasonló a hagyományos számítástechnikához, mivel logikai kapukat és bináris rutinokat használ a számítások elvégzéséhez. Ez azonban eltér a számítások végrehajtásának módjában. Az optikai számítástechnikában a fotonokat LED-ek, lézerek és más eszközök generálják, és a hagyományos számítástechnikában használt elektronokhoz hasonló módon kódolják az adatokat. Ez sokkal gyorsabb és hatékonyabb számítást tesz lehetővé, mivel a fotonok könnyen manipulálhatók és vezérelhetők a feladatok széles skálája érdekében.

---

Az IIoT és az éles számítástechnika egyre nagyobb teret hódít számos iparágban

---

Az optikai számítógép kifejlesztésének végső célja az optikai tranzisztorok tervezésére és megvalósítására összpontosító tanulmányok. A fénysugár hatékonyan blokkolható egy 90 fokkal elforgatható polarizáló képernyővel. Az optikai tranzisztorok előállításához olyan dielektromos alkatrészeket is használnak, amelyek polarizátorként működnek. Bizonyos technikai nehézségek ellenére az optikai logikai kapuk alapvetően lehetségesek. Egyetlen vezérlőből és számos nyalábból állnának, amelyek a megfelelő logikai eredményeket biztosítanák.

A hagyományos elektronikus számítógépek egyik fő előnye, hogy szilíciumcsatornák és rézhuzalok segítségével irányítható és szabályozható az elektronok mozgása. Ez hatékony és megbízható számítást tesz lehetővé.

Az optikai számítástechnikában hasonló hatás érhető el plazmonikus nanorészecskék használatával. Ezek a részecskék irányíthatják és szabályozhatják a fotonok mozgását, lehetővé téve számukra, hogy kanyarokban forduljanak, és folytassák útjukat anélkül, hogy jelentős teljesítményvesztést vagy elektronokká alakulnának. Ez lehetővé teszi kompakt és hatékony optikai számítástechnikai eszközök létrehozását.

Az optikai chip legtöbb része hasonlít a hagyományos számítógépes chipekhez, az elektronokat az információ feldolgozására és átalakítására használják. Azonban az összeköttetések, amelyeket a chip különböző területei közötti információátvitelre használnak, jelentősen megváltoztak.

Az optikai számítástechnikában az elektronok helyett fényt használnak információátvitelre. Ennek az az oka, hogy a fény könnyen visszatartható, és megvan az az előnye, hogy utazás közben kevesebb információ veszít. Ez különösen hasznos olyan helyzetekben, amikor az összeköttetések felmelegedhetnek, ami lelassíthatja az elektronok mozgását. A fény információátvitelre való felhasználásával gyorsabb és hatékonyabb optikai számítástechnikai eszközöket lehet létrehozni.

A kutatók abban reménykednek, hogy az optikai számítástechnikában a fénynek az információátvitelhez való felhasználása exaskálás számítógépek kifejlesztését fogja eredményezni. Az Exascale számítógépek másodpercenként milliárdnyi számítást képesek elvégezni, ami 1000-szer gyorsabb, mint a jelenlegi leggyorsabb rendszerek. Fény használatával a kommunikációhoz elérhető ez a feldolgozási sebesség, ami erősebb és hatékonyabb számítástechnikai eszközöket eredményez.

Az optikai számítástechnika előnyei és hátrányai

Az optikai számítástechnika előnyei a következők:

• Gyors sűrűség, kis méret, minimális csomópont fűtés, nagy sebesség, dinamikus skálázás és átkonfigurálhatóság kisebb/nagyobb hálózatokba/topológiákba, hatalmas párhuzamos számítási képesség és mesterséges intelligencia alkalmazások csak néhány az optikai számítógépek elsődleges előnyei közül.
• Az optikai összeköttetések a sebesség mellett számos előnnyel is járnak. Nem hajlamosak elektromos rövidzárlatra, és immunisak az elektromágneses interferenciára.
• Alacsony veszteségű átvitelt és nagy sávszélességet biztosítanak, lehetővé téve több csatorna egyidejű kommunikációját.
• Az optikai alkatrészek adatfeldolgozása olcsóbb és egyszerűbb, mint az elektronikus alkatrészeken végzett adatfeldolgozás.
• A fotonok nem lépnek kölcsönhatásba egymással olyan gyorsan, mint az elektronok, mivel nincsenek feltöltve. Ez további előnyt jelent, mivel a teljes duplex működés lehetővé teszi a fénysugarak áthaladását egymáson.
• A mágneses anyagokhoz képest az optikai anyagok könnyebben hozzáférhetők és nagyobb tárolási sűrűséggel rendelkeznek.

Az optikai számítástechnika hátrányai a következők:

• Nehéz fotonikus kristályokat előállítani.
• Több jel kölcsönhatása miatt a számítás összetett folyamat.
• A jelenlegi optikai számítógépek prototípusai meglehetősen terjedelmesek. 

Optikai számítástechnika kontra kvantumszámítás

Az optikai számítástechnika és a kvantumszámítás két különböző technológia, amelyek forradalmasíthatják a számításokról és az adatfeldolgozásról alkotott gondolkodásunkat.

Az optikai számítástechnika fényt használ a számítások és adatfeldolgozási feladatok elvégzésére, míg a kvantumszámítás a kvantummechanika alapelveit használja a számítások elvégzésére.

---

A Qudit számítógépek végtelen lehetőségeket nyitnak meg a bináris rendszer túllépésével

---

Az egyik legfontosabb különbség a két technológia között a számítások elvégzésének sebessége. Az optikai számítástechnika sokkal nagyobb sebességgel képes működni, mint a hagyományos elektronikus számítástechnika, és bizonyos esetekben gyorsabb is, mint a kvantumszámítás. Ez annak köszönhető, hogy a fotonok, az optikai számítástechnikában használt fényrészecskék könnyen manipulálhatók és vezérelhetők a feladatok széles skálája érdekében.

Másrészt a kvantumszámítás képes megoldani bizonyos problémákat, amelyek jelenleg még a legfejlettebb számítógépek képességeit is meghaladják. Ez a kvantummechanika egyedi tulajdonságainak köszönhető, amelyek lehetővé teszik rendkívül összetett és összefonódott állapotok létrehozását, amelyek segítségével számításokat lehet végezni.

Összességében az optikai számítástechnika és a kvantumszámítás egyaránt képes forradalmasítani a számítási és adatfeldolgozási területet. Bár különböző erősségeik és korlátaik vannak, mindkét technológia izgalmas új lehetőségeket kínál összetett problémák megoldására és a világ megértésének fejlesztésére.

Optikai számítástechnikai cégek

Ha többet szeretne megtudni, összeállítottuk a legjobb kvantumszámítógép-cégek legátfogóbb listáját!

Xanadu Quantum Technologies

Kanadai technológiai üzletág Xanadu Quantum Technologies a fotonikus kvantumszámítási hardver egyik fő szállítója.

A Xanadu, a Christian Weedbrook vezérigazgató által 2016-ban alapított cég célja olyan kvantumszámítógépek létrehozása, amelyek mindenki számára elérhetőek és előnyösek. A vállalat teljes körű stratégiát fogadott el e cél elérése érdekében, és hardvert, szoftvert fejleszt, és élvonalbeli kutatásokat folytat a kiválasztott partnerekkel.

A Strawberry Fields alkalmazáskönyvtár és a Xanadu Quantum Cloud (XQC) szolgáltatás segítségével a vállalkozások és a tudósok most elkezdhetik használni a Xanadu fotonikus kvantumszámítógépeit.

A PennyLane, egy nyílt forráskódú projekt létrehozásával, amely a kvantumkutatók és fejlesztők első számú szoftverkönyvtárává nőtte ki magát, a vállalkozás a kvantumgépi tanulás (QML) területét is fejleszti.

PsiQuantum

A cél PsiQuantum, kvantumfizikusokból, félvezető-, rendszer- és szoftvermérnökökből, rendszerépítészekből és másokból álló csoport az első hasznos kvantumszámítógép megalkotása a fotonikus megközelítés alkalmazásával, mert úgy gondolják, hogy a hibajavításhoz szükséges léptékű műszaki előnyöket kínálja. Egy 1 millió kvbites kvantumszámítógépre koncentrálva keltették fel a média figyelmét.

A PsiQuantumot 2015-ben alapította Jeremy O'Brien, Terry Rudolph, Pete Shadbolt és Mark Thompson, és központja a technológiai innováció epicentrumában, a Szilícium-völgyben található.

ORCA számítástechnika

Ian Walmsley professzor ultragyors és nemlineáris kvantumoptikai csoportjának kutatása alapján az Oxfordi Egyetemen, ORCA képzett tudósok és üzletemberek alapították Londonban. Ian Walmsley, Josh Nunn és Kris Kaczmarek a csoportban rájöttek, hogy a „rövid távú” kvantummemóriák szinkronizálhatják a fotonikus tevékenységeket, és valóban méretezhetővé tehetik a kvantumszámítást.

Az ORCA kvantummemóriájának kihasználásával a redundancia problémájának megoldására az ORCA felszabadítja a kvantumfotonikában rejlő lehetőségeket a versengő módszerek komoly kompromisszumok nélkül.

Az ORCA-t 2019-ben alapította Ian Walmsley, Richard Murray, Josh Nunn és Cristina Escoda, székhelye London.

Quandela

Egy új cég ún Quandela a fotonika, a kvantumszámítógépek és a kvantuminformáció kutatására szolgáló funkcionális eszközök létrehozásának szentelt.

Jellegzetes szilárdtest kvantum fényforrásokat hoz létre. E források felhasználásával a fény manipulációján alapuló kvantumszámítógépek új generációját fejlesztik ki.

2017-ben Valerian Giesz, Pascale Senellart és Niccolo Somaschi létrehozta ezt a fotonikai céget Párizsban.

TundraSystems Global

Brian Antao alapította TundraSystems Global a walesi Cardiffban, hogy az alapoktól kezdve építsék fel a különféle akadémiai forrásokból származó számos fejlesztést, mint például a Bristoli Egyetem, az MIT, az Egyesült Királyság Quantum Technology Hubs stb. a kvantummechanika.

A szervezet végső célja innovatív kvantumtechnológiai megoldások létrehozása és terjesztése. A Tundra Quantum Photonics Technology könyvtárának elkészítése a fejlesztési folyamat kezdeti lépése. Ez a Tundra System stratégiájának egyik eleme, mivel a TundraProcessor, egy teljesen működőképes kvantumfotonikai mikroprocesszor létrehozásán dolgozik. A TundraProcessort körülvevő átfogó HPC-rendszer épülhet meg ennek a könyvtárnak a segítségével, amely a fotonikus integrált áramkörök ökoszisztémájának fejlődését is megkönnyíti.

Következtetés

Összefoglalva, izgalmas fejleményeket látunk a lézerek és a fény számítástechnikai felhasználásában. Ahogy az optikai technológia folyamatosan fejlődik, várhatóan számos alkalmazásban fogják használni, a párhuzamos feldolgozási és tárolási hálózatoktól az optikai adathálózatokig és a biometrikus tárolóeszközökig.

A mai számítógépek processzorai ma már fénydetektorokat és apró lézereket tartalmaznak, amelyek megkönnyítik az adatátvitelt az optikai szálakon keresztül. Egyes cégek még olyan optikai processzorokat is fejlesztenek, amelyek optikai kapcsolókat és lézerfényt használnak a számítások elvégzéséhez. Az Intel, ennek a technológiának az egyik vezető támogatója, integrált szilícium-fotonikai kapcsolatot hoz létre, amely másodpercenként 50 gigabájtnyi információt képes megszakítás nélkül továbbítani.

---

Egy új neurokomputációs modell elősegítheti a neurális mesterséges intelligencia kutatását

---

Lehetséges, hogy a jövő számítógépei képernyő nélkül jelennek meg, és az információkat hologramok formájában jelenítik meg a billentyűzet felett a levegőben. Ez a technológia kutatók és ipari szakértők együttműködése révén valósul meg. Ezenkívül az optikai technológia gyakorlati felhasználása optikai hálózatok formájában az előrejelzések szerint évről évre növekedni fog.

A nagy sebességű és hatékony számítási lehetőségekben rejlő optikai technológia forradalmasíthatja a számításokról és az adatfeldolgozásról alkotott gondolkodásunkat.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/