L'ascesa della fotonica integrata: in che modo la luce sta cambiando il volto dell'informatica?

Il calcolo ottico è una tecnologia rivoluzionaria che ha il potenziale per cambiare il modo in cui pensiamo al calcolo. A differenza dei computer tradizionali, che utilizzano segnali elettrici per eseguire calcoli, il calcolo ottico utilizza la luce. Ciò consente una frequenza molto più elevata di elaborazione dei dati, rendendo possibile eseguire calcoli grandi e complessi a velocità incredibilmente elevate.

Una delle tecnologie chiave alla base del calcolo ottico è il calcolo fotonico, che utilizza i fotoni per eseguire calcoli anziché gli elettroni. Ciò consente un approccio più efficiente e sintetico al calcolo, poiché i fotoni possono essere facilmente manipolati e controllati per eseguire un'ampia gamma di compiti.

Un'altra tecnologia chiave nel campo del calcolo ottico è la fotonica integrata. Questo si riferisce all'integrazione di componenti fotonici in un unico dispositivo compatto, consentendo un approccio al calcolo più efficiente e scalabile.

Nel complesso, l'uso di queste tecnologie ha il potenziale per rivoluzionare il modo in cui pensiamo al calcolo e all'elaborazione dei dati. Con il calcolo ottico, possiamo risolvere problemi che attualmente sono al di là delle capacità anche dei computer più avanzati e farlo a velocità inimmaginabili con le tecnologie odierne.

I ricercatori hanno scoperto un modo per eseguire porte logiche basate sulla luce, che sono un milione di volte più veloci delle porte logiche elettroniche convenzionali presenti nei tradizionali processori per computer. Queste porte logiche, che sono costituite da funzioni booleane ed eseguono routine binarie, sono generalmente gestite elettronicamente. Tuttavia, il nuovo metodo utilizza la luce per svolgere le stesse funzioni, portando a velocità di elaborazione significativamente più elevate.

Questo è stato trovato in uno studio condotto presso l'Università AALTO e pubblicato sulla rivista Science Advances.

Cos'è il calcolo ottico?

Un computer ottico, noto anche come computer fotonico, è un dispositivo che esegue calcoli digitali utilizzando fotoni nella luce visibile o raggi infrarossi (IR) invece della corrente elettrica. La velocità di una corrente elettrica è solo il 10% della velocità della luce. Uno dei motivi che ha portato allo sviluppo della fibra ottica è stata la limitazione della velocità con cui i dati possono essere trasmessi su lunghe distanze. Un computer in grado di eseguire processi dieci o più volte più velocemente di un computer elettronico tradizionale potrebbe un giorno essere creato implementando alcuni dei vantaggi delle reti visibili e/o IR alle dimensioni del dispositivo e dei componenti.

Contrariamente alle correnti elettriche, i raggi visibili e infrarossi scorrono l'uno sull'altro senza interagire. Anche quando sono vincolati essenzialmente a due dimensioni, molti (o molti) raggi laser possono essere proiettati in modo che i loro percorsi si incrocino, ma non c'è interferenza tra i raggi. Il cablaggio in tre dimensioni è importante perché le correnti elettriche devono essere dirette l'una intorno all'altra. Di conseguenza, un computer ottico può anche essere più piccolo oltre ad essere significativamente più veloce di uno elettronico.

Sebbene alcuni ingegneri prevedano che il calcolo ottico si diffonderà in futuro, la maggior parte degli esperti concorda sul fatto che i cambiamenti avverranno gradualmente in nicchie specifiche. Ci sono alcuni circuiti integrati ottici che sono stati sviluppati e prodotti. (Circuiti ottici sono stati utilizzati nella costruzione di almeno un computer completo, anche se piuttosto grande.) Dividendo l'immagine in voxel, un video tridimensionale in full-motion può essere trasmesso tramite una rete di fibre. Anche se gli impulsi di dati utilizzati per controllare alcuni dispositivi ottici sono onde luminose o infrarosse, le correnti elettroniche possono comunque azionarli.

Le comunicazioni digitali, dove il trasferimento di dati in fibra ottica è già prevalente, è dove la tecnologia ottica è avanzata di più. L'obiettivo finale è la cosiddetta rete fotonica, in cui ogni sorgente e destinazione sono collegate solo da fotoni visibili e infrarossi. Le stampanti laser, le fotocopiatrici, gli scanner e le unità CD-ROM ei loro parenti utilizzano tutti la tecnologia ottica. Tutti questi dispositivi, tuttavia, si basano in una certa misura su circuiti e componenti elettronici ordinari; nessuno di loro è interamente ottico.

Come funziona il calcolo ottico?

Il calcolo ottico è simile al calcolo tradizionale in quanto utilizza porte logiche e routine binarie per eseguire calcoli. Tuttavia, differisce nel modo in cui vengono eseguiti questi calcoli. Nel calcolo ottico, i fotoni sono generati da LED, laser e altri dispositivi e vengono utilizzati per codificare i dati in modo simile agli elettroni nel calcolo tradizionale. Ciò consente un calcolo molto più rapido ed efficiente, poiché i fotoni possono essere facilmente manipolati e controllati per eseguire un'ampia gamma di attività.

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Con l'obiettivo finale di sviluppare un computer ottico, ci sono studi incentrati sulla progettazione e realizzazione di transistor ottici. Un raggio di luce può essere efficacemente bloccato da uno schermo polarizzante che ruota di 90 gradi. I componenti dielettrici che hanno la capacità di funzionare come polarizzatori vengono utilizzati anche per creare transistor ottici. Nonostante alcune difficoltà tecniche, le porte logiche ottiche sono fondamentalmente possibili. Sarebbero costituiti da un unico controllo e da numerosi raggi che fornirebbero i giusti risultati logici.

Uno dei principali vantaggi dei computer elettronici tradizionali è che i canali di silicio ei fili di rame possono essere utilizzati per guidare e controllare il movimento degli elettroni. Ciò consente un calcolo efficiente e affidabile.

Nel calcolo ottico, un effetto simile può essere ottenuto utilizzando nanoparticelle plasmoniche. Queste particelle possono guidare e controllare il movimento dei fotoni, consentendo loro di girare gli angoli e continuare il loro percorso senza una significativa perdita di potenza o conversione in elettroni. Ciò consente di creare dispositivi di calcolo ottici compatti ed efficienti.

La maggior parte delle parti di un chip ottico è simile a un tradizionale chip per computer, con gli elettroni utilizzati per elaborare e trasformare le informazioni. Tuttavia, le interconnessioni, utilizzate per trasferire le informazioni tra le diverse aree del chip, sono state notevolmente modificate.

Nel calcolo ottico, la luce viene utilizzata al posto degli elettroni per trasferire le informazioni. Questo perché la luce può essere facilmente contenuta e ha il vantaggio di una minore perdita di informazioni durante il viaggio. Ciò è particolarmente utile in situazioni in cui le interconnessioni possono surriscaldarsi, il che può rallentare il movimento degli elettroni. Utilizzando la luce per lo spostamento delle informazioni, è possibile creare dispositivi di elaborazione ottica più veloci ed efficienti.

I ricercatori sperano che l'uso della luce per lo spostamento delle informazioni nel calcolo ottico porti allo sviluppo di computer exascale. I computer Exascale sono in grado di eseguire miliardi di calcoli al secondo, ovvero 1000 volte più velocemente degli attuali sistemi più veloci. Utilizzando la luce per la comunicazione, è possibile raggiungere questo livello di velocità di elaborazione, risultando in dispositivi informatici più potenti ed efficienti.

I vantaggi e gli svantaggi del calcolo ottico

I vantaggi del calcolo ottico sono:

• Densità rapida, dimensioni ridotte, riscaldamento minimo della giunzione, alta velocità, ridimensionamento dinamico e riconfigurabilità in reti/topologie più piccole/grandi, vaste capacità di calcolo parallelo e applicazioni AI sono solo alcuni dei principali vantaggi dei computer ottici.
• Le interconnessioni ottiche hanno diversi vantaggi oltre alla velocità. Non sono soggetti a cortocircuiti elettrici e sono immuni alle interferenze elettromagnetiche.
• Forniscono una trasmissione a bassa perdita e molta larghezza di banda, consentendo a più canali di comunicare contemporaneamente.
• L'elaborazione dei dati sui componenti ottici è meno costosa e più semplice dell'elaborazione dei dati sui componenti elettronici.
• I fotoni non interagiscono tra loro così velocemente come gli elettroni poiché non sono carichi. Ciò fornisce un ulteriore vantaggio perché il funzionamento full duplex consente il passaggio dei fasci di luce l'uno sull'altro.
• Rispetto ai materiali magnetici, i materiali ottici sono più accessibili e hanno una maggiore densità di stoccaggio.

Gli svantaggi del calcolo ottico sono:

• È difficile sviluppare cristalli fotonici.
• A causa dell'interazione di diversi segnali, il calcolo è un processo complesso.
• Gli attuali prototipi di computer ottici hanno dimensioni piuttosto ingombranti. 

Calcolo ottico vs calcolo quantistico

Il calcolo ottico e il calcolo quantistico sono due tecnologie diverse che hanno il potenziale per rivoluzionare il modo in cui pensiamo al calcolo e all'elaborazione dei dati.

Il calcolo ottico utilizza la luce per eseguire calcoli e attività di elaborazione dei dati, mentre il calcolo quantistico utilizza i principi della meccanica quantistica per eseguire calcoli.

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Una delle principali differenze tra le due tecnologie è la velocità con cui sono in grado di eseguire i calcoli. Il calcolo ottico è in grado di operare a velocità molto più elevate rispetto al tradizionale calcolo elettronico e in alcuni casi è anche più veloce del calcolo quantistico. Ciò è dovuto al fatto che i fotoni, le particelle di luce utilizzate nel calcolo ottico, possono essere facilmente manipolati e controllati per svolgere un'ampia gamma di compiti.

D'altra parte, il calcolo quantistico ha il potenziale per risolvere alcuni problemi che attualmente sono al di là delle capacità anche dei computer più avanzati. Ciò è dovuto alle proprietà uniche della meccanica quantistica, che consentono la creazione di stati altamente complessi e entangled che possono essere utilizzati per eseguire calcoli.

Nel complesso, sia il calcolo ottico che il calcolo quantistico hanno il potenziale per rivoluzionare il campo del calcolo e dell'elaborazione dei dati. Sebbene abbiano punti di forza e limiti diversi, entrambe le tecnologie offrono nuove entusiasmanti possibilità per risolvere problemi complessi e far progredire la nostra comprensione del mondo.

Società di calcolo ottico

Se sei interessato a saperne di più, abbiamo messo insieme l'elenco più completo delle migliori aziende di computer quantistico là fuori!

Tecnologie Quantistiche Xanadu

Affari tecnologici canadesi Tecnologie Quantistiche Xanadu è un importante fornitore di hardware di calcolo quantistico fotonico.

L'obiettivo di Xanadu, una società fondata nel 2016 dal CEO Christian Weedbrook, è creare computer quantistici accessibili e vantaggiosi per tutti. L'azienda ha adottato una strategia full-stack per raggiungere questo obiettivo e sviluppa hardware, software e si impegna in ricerche all'avanguardia con partner scelti.

Con l'aiuto della libreria di applicazioni Strawberry Fields e del servizio Xanadu Quantum Cloud (XQC), aziende e accademici possono ora iniziare a utilizzare i computer quantistici fotonici di Xanadu.

Attraverso la creazione di PennyLane, un progetto open source che è cresciuto fino a diventare una delle principali librerie software tra ricercatori e sviluppatori quantistici, l'azienda sta sviluppando anche il campo dell'apprendimento automatico quantistico (QML).

PsiQuantum

L'obiettivo di PsiQuantum, un gruppo di fisici quantistici, ingegneri dei semiconduttori, dei sistemi e del software, architetti di sistema e altri è quello di creare il primo computer quantistico utile utilizzando l'approccio fotonico perché pensano che offra vantaggi tecnici alla scala necessaria per la correzione degli errori. Hanno generato l'attenzione dei media concentrandosi su un computer quantistico da 1 milione di qubit.

PsiQuantum è stata fondata nel 2015 da Jeremy O'Brien, Terry Rudolph, Pete Shadbolt e Mark Thompson e ha sede nella Silicon Valley, l'epicentro dell'innovazione tecnologica.

Informatica ORCA

Sulla base di una ricerca del gruppo di ottica quantistica ultraveloce e non lineare del professor Ian Walmsley presso l'Università di Oxford, ORCA è stata fondata a Londra da abili scienziati e uomini d'affari. Ian Walmsley, Josh Nunn e Kris Kaczmarek nel gruppo si sono resi conto che le memorie quantistiche "a breve termine" potrebbero sincronizzare le attività fotoniche e rendere il calcolo quantistico realmente scalabile.

Sfruttando la memoria quantistica ORCA per affrontare questo problema di ridondanza, ORCA sblocca il potenziale della fotonica quantistica senza i severi compromessi dei metodi concorrenti.

ORCA è stata fondata nel 2019 da Ian Walmsley, Richard Murray, Josh Nunn e Cristina Escoda e ha sede a Londra.

Quandela

Una nuova compagnia chiamata Quandela è dedicato alla creazione di dispositivi funzionali per la ricerca sulla fotonica, i computer quantistici e l'informazione quantistica.

Crea distintive sorgenti luminose quantistiche a stato solido. Utilizzando queste fonti viene sviluppata una nuova generazione di computer quantistici basati sulla manipolazione della luce.

Nel 2017, Valerian Giesz, Pascale Senellart e Niccolo Somaschi hanno creato questa azienda di fotonica a Parigi.

TundraSystems globale

Brian Antao fondato TundraSystems globale a Cardiff, nel Galles, per costruire da zero i numerosi sviluppi provenienti da varie fonti accademiche, come l'Università di Bristol, il MIT, i Quantum Technology Hubs del Regno Unito, ecc., in soluzioni computazionali in un regime tutto ottico utilizzando la base fondamentale della meccanica quantistica.

L'obiettivo finale dell'organizzazione è creare e distribuire soluzioni tecnologiche quantistiche innovative. Creare una libreria per la tecnologia fotonica quantistica Tundra è il primo passo nel processo di sviluppo. Questo è un elemento della strategia di Tundra System poiché lavora per creare il TundraProcessor, un microprocessore fotonico quantistico completamente funzionante. Un sistema HPC completo che circonda il TundraProcessor può essere costruito con l'aiuto di questa libreria, che dovrebbe anche facilitare l'evoluzione dell'ecosistema dei circuiti integrati fotonici.

Conclusione

In conclusione, assistiamo a sviluppi entusiasmanti nell'uso dei laser e della luce nell'informatica. Man mano che la tecnologia ottica continua ad avanzare, possiamo aspettarci di vederla utilizzata in un'ampia gamma di applicazioni, dall'elaborazione parallela e dalle reti di archiviazione alle reti di dati ottiche e ai dispositivi di archiviazione biometrici.

I processori dei computer odierni ora contengono rilevatori di luce e minuscoli laser che facilitano la trasmissione dei dati attraverso le fibre ottiche. Alcune aziende stanno persino sviluppando processori ottici che utilizzano interruttori ottici e luce laser per eseguire calcoli. Intel, uno dei principali sostenitori di questa tecnologia, sta creando un collegamento fotonico integrato in silicio in grado di trasmettere 50 gigabyte al secondo di informazioni ininterrotte.

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I computer futuri potrebbero venire senza schermi, con informazioni presentate tramite ologrammi nell'aria sopra la tastiera. Questa tecnologia è resa possibile grazie alla collaborazione di ricercatori ed esperti industriali. Inoltre, si prevede che l'uso pratico della tecnologia ottica sotto forma di reti ottiche crescerà di anno in anno.

Con il suo potenziale per il calcolo ad alta velocità ed efficiente, la tecnologia ottica è pronta a rivoluzionare il modo in cui pensiamo al calcolo e all'elaborazione dei dati.

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