עלייתה של פוטוניקה משולבת: כיצד האור משנה את פני המחשוב?

מחשוב אופטי היא טכנולוגיה מהפכנית שיש לה פוטנציאל לשנות את הדרך בה אנו חושבים על מחשוב. בניגוד למחשבים מסורתיים, המשתמשים באותות חשמליים לביצוע חישובים, מחשוב אופטי משתמש באור. זה מאפשר תדירות גבוהה בהרבה של עיבוד נתונים, מה שמאפשר להריץ חישובים גדולים ומורכבים במהירויות מהירות להפליא.

אחת הטכנולוגיות המרכזיות מאחורי המחשוב האופטי היא מחשוב פוטוני, המשתמש בפוטונים לביצוע חישובים במקום אלקטרונים. זה מאפשר גישה יעילה וסינתטית יותר לחישוב, שכן ניתן לתמרן ולשלוט בפוטונים בקלות לביצוע מגוון רחב של משימות.

טכנולוגיה מרכזית נוספת בתחום המחשוב האופטי היא פוטוניקה משולבת. הכוונה היא לשילוב של רכיבים פוטוניים במכשיר יחיד וקומפקטי, המאפשר גישה יעילה וניתנת להרחבה לחישוב.

בסך הכל, לשימוש בטכנולוגיות אלו יש פוטנציאל לחולל מהפכה בדרך שבה אנו חושבים על מחשוב ועיבוד נתונים. בעזרת מחשוב אופטי נוכל לפתור בעיות שהן כיום מעבר ליכולות של אפילו המחשבים המתקדמים ביותר ולעשות זאת במהירויות שאי אפשר להעלות על הדעת עם הטכנולוגיות של היום.

חוקרים גילו דרך להפעיל שערים לוגיים מבוססי אור, שהם מהירים פי מיליון משערים לוגיים אלקטרוניים רגילים שנמצאים במעבדי מחשב מסורתיים. שערים לוגיים אלה, המורכבים מפונקציות בוליאניות ומריצות שגרות בינאריות, מופעלים בדרך כלל באופן אלקטרוני. עם זאת, השיטה החדשה משתמשת באור כדי לבצע את אותן פונקציות, מה שמוביל למהירויות עיבוד מהירות יותר משמעותית.

זה נמצא במחקר שנערך באוניברסיטת AALTO ו פורסם בכתב העת Science Advances.

מהו מחשוב אופטי?

מחשב אופטי, המכונה גם מחשב פוטוני, הוא מכשיר המבצע חישובים דיגיטליים באמצעות פוטונים בקרני אור נראה או אינפרא אדום (IR) בניגוד לזרם חשמלי. מהירותו של זרם חשמלי היא רק 10% ממהירות האור. אחת הסיבות שהובילו לפיתוח סיבים אופטיים הייתה ההגבלה על קצב העברת הנתונים למרחקים ארוכים. מחשב שיכול לבצע תהליכים מהירים פי עשרה או יותר ממחשב אלקטרוני מסורתי עשוי להיווצר יום אחד על ידי יישום כמה מהיתרונות של רשתות גלויות ו/או IR בגודל ההתקן והרכיב.

בניגוד לזרמים חשמליים, אלומות גלויות ואינפרא אדום זורמות זו על פני זו ללא אינטראקציה. גם כאשר הן מוגבלות למעשה לשני ממדים, ניתן להאיר קרני לייזר רבות (או רבות) כך שדרכן מצטלבות, אך אין הפרעה בין הקרניים. חיווט בתלת מימד חשוב מכיוון שזרמים חשמליים חייבים להיות מכוונים זה סביב זה. כתוצאה מכך, מחשב אופטי עשוי להיות גם קטן יותר בנוסף להיותו מהיר משמעותית ממחשב אלקטרוני.

למרות שחלק מהמהנדסים צופים כי מחשוב אופטי יהפוך לנפוץ בעתיד, רוב המומחים מסכימים ששינויים יתרחשו בהדרגה בנישות ספציפיות. ישנם כמה מעגלים משולבים אופטיים שפותחו ויוצרו. (מעגלים אופטיים שימשו בבניית מחשב אחד עם תכונות מלאות, אם כי גדולות במידה מסוימת.) על ידי חלוקת התמונה ל-voxels, ניתן לשדר סרטון תלת מימדי בתנועה מלאה דרך רשת סיבים. למרות שדחפי הנתונים המשמשים לשליטה במכשירים אופטיים מסוימים הם אור נראה או גלי אינפרא אדום, זרמים אלקטרוניים יכולים בכל זאת להפעיל אותם.

תקשורת דיגיטלית, שבה העברת נתונים בסיבים אופטיים כבר נפוצה, היא המקום שבו הטכנולוגיה האופטית התקדמה הכי הרבה. המטרה הסופית היא מה שנקרא רשת פוטונית, שבה כל מקור ויעד מחוברים רק על ידי פוטונים גלויים ואינפרא אדום. מדפסות לייזר, מכונות צילום, סורקים וכונני CD-ROM וקרוביהם משתמשים כולם בטכנולוגיה אופטית. עם זאת, כל המכשירים הללו מסתמכים במידה מסוימת על מעגלים וחלקים אלקטרוניים רגילים; אף אחד מהם אינו אופטי לחלוטין.

איך עובד מחשוב אופטי?

מחשוב אופטי דומה למחשוב מסורתי בכך שהוא משתמש בשערים לוגיים ובשגרות בינאריות לביצוע חישובים. עם זאת, זה שונה באופן שבו חישובים אלה מתבצעים. במחשוב אופטי, פוטונים נוצרים על ידי נוריות LED, לייזרים והתקנים אחרים ומשמשים לקידוד נתונים באופן דומה לאלקטרונים במחשוב מסורתי. זה מאפשר חישוב מהיר ויעיל הרבה יותר, שכן ניתן לתפעל ולשלוט בקלות בפוטונים לביצוע מגוון רחב של משימות.

---

IIoT ומחשוב קצה צוברים תאוצה בתעשיות רבות

---

עם המטרה הסופית של פיתוח מחשב אופטי, ישנם מחקרים המתמקדים בתכנון והטמעה של טרנזיסטורים אופטיים. ניתן לחסום קרן אור ביעילות על ידי מסך מקטב המסתובב 90 מעלות. רכיבים דיאלקטריים בעלי יכולת לפעול כמקטבים משמשים גם ליצירת טרנזיסטורים אופטיים. למרות כמה קשיים טכניים, שערים לוגיים אופטיים אפשריים ביסודו. הם יהיו מורכבים משליטה אחת וקורות רבות שיספקו את התוצאות ההגיוניות הנכונות.

יתרון מרכזי אחד של מחשבים אלקטרוניים מסורתיים הוא שניתן להשתמש בתעלות סיליקון וחוטי נחושת כדי להנחות ולשלוט בתנועת האלקטרונים. זה מאפשר חישוב יעיל ואמין.

במחשוב אופטי, ניתן להשיג אפקט דומה באמצעות ננו-חלקיקים פלסמונים. חלקיקים אלה יכולים להנחות ולשלוט בתנועת הפוטונים, ולאפשר להם לפנות פינות ולהמשיך בדרכם ללא אובדן כוח משמעותי או המרה לאלקטרונים. זה מאפשר ליצור התקני מחשוב אופטי קומפקטיים ויעילים.

רוב חלקי השבב האופטי דומים לשבב מחשב מסורתי, כאשר אלקטרונים משמשים לעיבוד והמרת מידע. עם זאת, החיבורים, המשמשים להעברת מידע בין אזורים שונים של השבב, שונו באופן משמעותי.

במחשוב אופטי משתמשים באור במקום באלקטרונים להעברת מידע. הסיבה לכך היא שניתן להכיל את האור בקלות ויש לו יתרון של פחות אובדן מידע במהלך נסיעה. זה שימושי במיוחד במצבים שבהם החיבורים עלולים להתחמם, מה שיכול להאט את תנועת האלקטרונים. על ידי שימוש באור להסעת מידע, ניתן ליצור התקני מחשוב אופטי מהירים ויעילים יותר.

חוקרים מקווים שהשימוש באור להעברת מידע במחשוב אופטי יביא לפיתוח מחשבים בקנה מידה גדול. מחשבי Exascale מסוגלים לבצע מיליארדי חישובים בכל שנייה, וזה מהיר פי 1000 מהמערכות המהירות ביותר הנוכחיות. על ידי שימוש באור לתקשורת, ניתן להגיע לרמה זו של מהירות עיבוד, וכתוצאה מכך להתקני מחשוב חזקים ויעילים יותר.

היתרונות והחסרונות של מחשוב אופטי

היתרונות של מחשוב אופטי הם:

• צפיפות מהירה, גודל קטן, חימום מינימלי של צומת, מהירות גבוהה, קנה מידה דינמי וניתנות להגדרה מחדש לרשתות/טופולוגיות קטנות/גדולות יותר, יכולת מחשוב מקבילית עצומה ויישומי בינה מלאכותית הם רק חלק מהיתרונות העיקריים של מחשבים אופטיים.
• לחיבורים אופטיים יש יתרונות שונים בנוסף למהירות. הם אינם מועדים לקצרים חשמליים וחסינים מפני הפרעות אלקטרומגנטיות.
• הם מספקים שידור בהפסד נמוך ורוחב פס רב, המאפשרים למספר ערוצים לתקשר בו זמנית.
• עיבוד נתונים על רכיבים אופטיים הוא פחות יקר ופשוט יותר מעיבוד נתונים על רכיבים אלקטרוניים.
• פוטונים אינם מקיימים אינטראקציה זה עם זה במהירות כמו האלקטרונים מכיוון שהם אינם טעונים. זה מספק יתרון נוסף מכיוון שתפקוד דופלקס מלא מאפשר לאלומות אור לעבור אחת על השנייה.
• בהשוואה לחומרים מגנטיים, חומרים אופטיים נגישים יותר ובעלי צפיפות אחסון גבוהה יותר.

החסרונות של מחשוב אופטי הם:

• קשה לפתח גבישים פוטוניים.
• בשל האינטראקציה של מספר אותות, חישוב הוא תהליך מורכב.
• אבות הטיפוס הנוכחיים של מחשבים אופטיים הם די מגושמים בגודלם. 

מחשוב אופטי מול מחשוב קוונטי

מחשוב אופטי ומחשוב קוונטי הן שתי טכנולוגיות שונות שיש להן פוטנציאל לחולל מהפכה בדרך שבה אנו חושבים על מחשוב ועיבוד נתונים.

מחשוב אופטי משתמש באור לביצוע חישובים ומשימות עיבוד נתונים, בעוד שמחשוב קוונטי משתמש בעקרונות מכניקת הקוונטים לביצוע חישובים.

---

מחשבי Qudit פותחים אינסוף אפשרויות על ידי חריגה מהמערכת הבינארית

---

אחד ההבדלים העיקריים בין שתי הטכנולוגיות הוא המהירות שבה הן מסוגלות לבצע חישובים. מחשוב אופטי מסוגל לפעול במהירויות גבוהות בהרבה מהמחשוב האלקטרוני המסורתי והוא גם מהיר יותר ממחשוב קוונטי במקרים מסוימים. זה נובע מהעובדה שפוטונים, חלקיקי האור המשמשים במחשוב אופטי, ניתנים למניפולציה ולשליטה בקלות כדי לבצע מגוון רחב של משימות.

מצד שני, למחשוב קוונטי יש פוטנציאל לפתור בעיות מסוימות שהן כיום מעבר ליכולות של אפילו המחשבים המתקדמים ביותר. זאת בשל התכונות הייחודיות של מכניקת הקוונטים, המאפשרות יצירת מצבים מורכבים ומסתבכים ביותר שניתן להשתמש בהם לביצוע חישובים.

בסך הכל, גם למחשוב אופטי וגם למחשוב קוונטי יש פוטנציאל לחולל מהפכה בתחום המחשוב ועיבוד הנתונים. למרות שיש להן חוזקות ומגבלות שונות, שתי הטכנולוגיות מציעות אפשרויות חדשות ומרגשות לפתרון בעיות מורכבות ולקידום הבנתנו את העולם.

חברות מחשוב אופטי

אם אתה מעוניין ללמוד עוד, ריכזנו את הרשימה היסודית ביותר של חברות המחשוב הקוונטי הטובות ביותר שיש!

Xanadu Quantum Technologies

עסק טכנולוגי קנדי Xanadu Quantum Technologies היא ספקית מרכזית של חומרת מחשוב קוונטי פוטוניים.

המטרה של Xanadu, חברה שהוקמה ב-2016 על ידי המנכ"ל כריסטיאן ווידברוק, היא ליצור מחשבים קוונטיים נגישים ומועילים לכולם. החברה אימצה אסטרטגיה מלאה כדי להשיג מטרה זו, מפתחת חומרה, תוכנה ועוסקת במחקר חדשני עם שותפים נבחרים.

בעזרת ספריית היישומים Strawberry Fields ושירות Xanadu Quantum Cloud (XQC), עסקים ואנשי אקדמיה יכולים כעת להתחיל להשתמש במחשבים הקוונטים הפוטוניים של Xanadu.

באמצעות יצירת PennyLane, פרויקט קוד פתוח שגדל והפך לספריית תוכנה מובילה בקרב חוקרי ומפתחי קוונטים, העסק מפתח גם את תחום למידת המכונה הקוונטית (QML).

PsiQuantum

מטרת PsiQuantum, קבוצה של פיזיקאים קוונטיים, מהנדסי מוליכים למחצה, מערכות ותוכנה, ארכיטקטי מערכות ואחרים היא ליצור את המחשב הקוונטי השימושי הראשון על ידי שימוש בגישה הפוטונית מכיוון שהם חושבים שהוא מציע יתרונות טכניים בקנה מידה הדרוש לתיקון שגיאות. הם יצרו תשומת לב תקשורתית על ידי התרכזות במחשב קוונטי של מיליון קוויביט.

PsiQuantum הוקמה ב-2015 על ידי ג'רמי או'בריאן, טרי רודולף, פיט שדבולט ומארק תומפסון ומרכזה בעמק הסיליקון, מוקד החדשנות הטכנולוגית.

מחשוב ORCA

בהתבסס על מחקר מקבוצת האופטיקה הקוונטית האולטרה-מהירה והלא-לינארית של פרופסור איאן וולמסלי באוניברסיטת אוקספורד, ORCA נוסדה בלונדון על ידי מדענים ואנשי עסקים מיומנים. איאן וולמסלי, ג'וש נון וקריס קצ'מארק בקבוצה הבינו שזיכרונות קוונטיים "קצר טווח" עשויים לסנכרן פעילויות פוטוניות ולהפוך את המחשוב הקוונטי למדרגי באמת.

על ידי מינוף הזיכרון הקוונטי של ORCA לטיפול בבעיית יתירות זו, ORCA פותחת את הפוטנציאל של פוטוניקה קוונטית ללא הפשרות החמורות של שיטות מתחרות.

ORCA הוקמה בשנת 2019 על ידי איאן וולמסלי, ריצ'רד מאריי, ג'וש נון וכריסטינה אסקודה ובסיסה בלונדון.

קונדלה

חברה חדשה התקשרה קונדלה מוקדש ליצירת מכשירים פונקציונליים למחקר של פוטוניקה, מחשבים קוונטיים ומידע קוונטי.

זה יוצר מקורות אור קוונטיים ייחודיים במצב מוצק. דור חדש של מחשבים קוונטיים המבוססים על מניפולציה של אור פותח באמצעות מקורות אלו.

בשנת 2017, ולריאן גיס, פסקל סנלארט וניקולו סומאשי יצרו את חברת הפוטוניקה הזו בפריז.

TundraSystems Global

בריאן אנטאו הקים TundraSystems Global בקרדיף, ויילס, כדי לבנות מהיסוד את ההתפתחויות הרבות ממקורות אקדמיים שונים, כגון אוניברסיטת בריסטול, MIT, מרכז הטכנולוגיה הקוונטית של בריטניה וכו', בפתרונות חישוביים במשטר אופטי כולו תוך שימוש בבסיס הבסיסי. של מכניקת הקוונטים.

המטרה הסופית של הארגון היא ליצור ולהפיץ פתרונות טכנולוגיים קוונטיים חדשניים. יצירת ספרייה עבור Tundra Quantum Photonics Technology הוא השלב הראשוני בתהליך הפיתוח. זהו מרכיב באסטרטגיה של Tundra System שכן היא פועלת ליצירת ה- TundraProcessor, מיקרו-מעבד פוטוני קוונטי פונקציונלי לחלוטין. מערכת HPC מקיפה המקיפה את TundraProcessor עשויה להיבנות בעזרת ספרייה זו, שאמורה להקל גם על התפתחות המערכת האקולוגית של מעגלים משולבים פוטוניים.

סיכום

לסיכום, אנו רואים התפתחויות מרגשות בשימוש בלייזרים ובאור במחשוב. ככל שהטכנולוגיה האופטית ממשיכה להתקדם, אנו יכולים לצפות לראות אותה בשימוש במגוון רחב של יישומים, מעיבוד מקביל ורשתות שטח אחסון ועד לרשתות נתונים אופטיות והתקני אחסון ביומטריים.

המעבדים של המחשבים של ימינו מכילים כיום גלאי אור ולייזרים זעירים המקלים על העברת נתונים דרך סיבים אופטיים. חברות מסוימות אף מפתחות מעבדים אופטיים המשתמשים במתגים אופטיים ובאור לייזר לביצוע חישובים. אינטל, אחת התומכות המובילות בטכנולוגיה זו, יוצרת קישור פוטוני סיליקון משולב שיכול להעביר 50 גיגה-בייט לשנייה של מידע ללא הפרעה.

---

מודל נוירו-חישובי חדש יכול לקדם את מחקר הבינה המלאכותית העצבית

---

מחשבים עתידיים עשויים להגיע ללא מסכים, כאשר מידע יוצג באמצעות הולוגרמות באוויר מעל המקלדת. טכנולוגיה זו מתאפשרת באמצעות שיתוף פעולה של חוקרים ומומחים תעשייתיים. בנוסף, השימוש המעשי בטכנולוגיה אופטית בצורה של רשת אופטית צפוי לגדול מדי שנה.

עם הפוטנציאל שלה לחישוב מהיר ויעיל, הטכנולוגיה האופטית מוכנה לחולל מהפכה בדרך שבה אנו חושבים על חישוב ועיבוד נתונים.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/