De opkomst van geïntegreerde fotonica: hoe verandert licht het gezicht van computers?

Optisch computergebruik is een revolutionaire technologie die de potentie heeft om de manier waarop we over rekenen denken te veranderen. In tegenstelling tot traditionele computers, die elektrische signalen gebruiken om berekeningen uit te voeren, gebruikt optisch computergebruik licht. Dit zorgt voor een veel hogere frequentie van gegevensverwerking, waardoor het mogelijk wordt om grote en complexe berekeningen met ongelooflijk hoge snelheden uit te voeren.

Een van de sleuteltechnologieën achter optisch computergebruik is fotonisch computergebruik, dat fotonen gebruikt om berekeningen uit te voeren in plaats van elektronen. Dit zorgt voor een efficiëntere en synthetischere benadering van berekeningen, aangezien fotonen gemakkelijk kunnen worden gemanipuleerd en gecontroleerd om een ​​breed scala aan taken uit te voeren.

Een andere sleuteltechnologie op het gebied van optisch computergebruik is geïntegreerde fotonica. Dit verwijst naar de integratie van fotonische componenten in een enkel, compact apparaat, waardoor een efficiëntere en schaalbare benadering van berekeningen mogelijk wordt.

Over het algemeen heeft het gebruik van deze technologieën het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de manier waarop we denken over berekeningen en gegevensverwerking. Met optische computers kunnen we problemen oplossen die op dit moment de mogelijkheden van zelfs de meest geavanceerde computers te boven gaan en dit met snelheden die ondenkbaar zijn met de huidige technologieën.

Onderzoekers hebben een manier ontdekt om op licht gebaseerde logische poorten te gebruiken, die een miljoen keer sneller zijn dan conventionele elektronische logische poorten in traditionele computerprocessors. Deze logische poorten, die zijn samengesteld uit Booleaanse functies en binaire routines uitvoeren, worden doorgaans elektronisch uitgevoerd. De nieuwe methode gebruikt echter licht om dezelfde functies uit te voeren, wat leidt tot aanzienlijk hogere verwerkingssnelheden.

Dit blijkt uit een studie uitgevoerd aan de AALTO Universiteit en gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.

Wat is optisch computergebruik?

Een optische computer, ook wel een fotonische computer genoemd, is een apparaat dat digitale berekeningen uitvoert met behulp van fotonen in zichtbaar licht of infrarood (IR) stralen in plaats van elektrische stroom. De snelheid van een elektrische stroom is slechts 10% van de lichtsnelheid. Een van de redenen die hebben geleid tot de ontwikkeling van glasvezel was de beperking van de snelheid waarmee gegevens over lange afstanden kunnen worden verzonden. Een computer die processen tien of meer keer sneller kan uitvoeren dan een traditionele elektronische computer, zou op een dag kunnen worden gemaakt door enkele van de voordelen van zichtbare en/of IR-netwerken te implementeren op de grootte van het apparaat en de componenten.

In tegenstelling tot elektrische stromen stromen zichtbare en infrarode stralen door elkaar heen zonder interactie. Zelfs als ze beperkt zijn tot in wezen twee dimensies, kunnen veel (of veel) laserstralen worden geschenen zodat hun paden elkaar kruisen, maar er is geen interferentie tussen de stralen. Bedrading in drie dimensies is belangrijk omdat elektrische stromen om elkaar heen moeten worden geleid. Hierdoor kan een optische computer naast aanzienlijk sneller ook kleiner zijn dan een elektronische.

Hoewel sommige ingenieurs voorspellen dat optische computers in de toekomst wijdverbreid zullen worden, zijn de meeste experts het erover eens dat er geleidelijk veranderingen zullen plaatsvinden in specifieke niches. Er zijn enkele optische geïntegreerde schakelingen ontwikkeld en geproduceerd. (Er zijn optische schakelingen gebruikt bij de constructie van ten minste één volledig uitgeruste, zij het ietwat grote, computer.) Door het beeld in voxels te verdelen, kan een driedimensionale, volledig bewegende video worden uitgezonden via een netwerk van vezels. Hoewel de data-impulsen die worden gebruikt om sommige optische apparaten te besturen, zichtbare licht- of infraroodgolven zijn, kunnen ze niettemin worden bediend door elektronische stromen.

Digitale communicatie, waar gegevensoverdracht via glasvezel al gangbaar is, is waar de optische technologie het meest is gevorderd. Het uiteindelijke doel is het zogenaamde fotonische netwerk, waarbij elke bron en bestemming alleen met elkaar verbonden zijn door zichtbare en infrarode fotonen. Laserprinters, kopieerapparaten, scanners en cd-rom-drives en hun verwanten maken allemaal gebruik van optische technologie. Al deze apparaten zijn echter tot op zekere hoogte afhankelijk van gewone elektronische schakelingen en onderdelen; geen van hen is volledig optisch.

Hoe werkt optisch computergebruik?

Optisch computergebruik is vergelijkbaar met traditioneel computergebruik omdat het logische poorten en binaire routines gebruikt om berekeningen uit te voeren. Het verschilt echter in de manier waarop deze berekeningen worden uitgevoerd. Bij optische computers worden fotonen gegenereerd door LED's, lasers en andere apparaten en worden ze gebruikt om gegevens te coderen op een vergelijkbare manier als elektronen in traditionele computers. Dit zorgt voor veel snellere en efficiëntere berekeningen, omdat fotonen gemakkelijk kunnen worden gemanipuleerd en gecontroleerd om een ​​breed scala aan taken uit te voeren.

---

IIoT en edge computing winnen terrein in veel sectoren

---

Met als uiteindelijk doel het ontwikkelen van een optische computer, zijn er studies gericht op het ontwerp en de implementatie van optische transistors. Een lichtstraal kan efficiënt worden geblokkeerd door een polariserend scherm dat 90 graden draait. Diëlektrische componenten die als polarisatoren kunnen werken, worden ook gebruikt om optische transistors te maken. Ondanks enkele technische problemen zijn optische logische poorten in principe mogelijk. Ze zouden bestaan ​​uit een enkele besturing en talloze stralen die de juiste logische resultaten zouden opleveren.

Een groot voordeel van traditionele elektronische computers is dat siliciumkanalen en koperdraden kunnen worden gebruikt om de beweging van elektronen te sturen en te regelen. Dit zorgt voor een efficiënte en betrouwbare berekening.

Bij optisch computergebruik kan een soortgelijk effect worden bereikt met behulp van plasmonische nanodeeltjes. Deze deeltjes kunnen de beweging van fotonen sturen en controleren, waardoor ze bochten kunnen maken en hun pad kunnen vervolgen zonder significant verlies van vermogen of conversie naar elektronen. Dit maakt het mogelijk om compacte en efficiënte optische computerapparatuur te creëren.

De meeste onderdelen van een optische chip zijn vergelijkbaar met een traditionele computerchip, waarbij elektronen worden gebruikt voor het verwerken en transformeren van informatie. De interconnects, die worden gebruikt voor het pendelen van informatie tussen verschillende delen van de chip, zijn echter aanzienlijk veranderd.

Bij optisch computergebruik wordt licht gebruikt in plaats van elektronen voor het pendelen van informatie. Dit komt omdat licht gemakkelijk kan worden vastgehouden en het voordeel heeft dat er tijdens het reizen minder informatie verloren gaat. Dit is vooral handig in situaties waarin de onderlinge verbindingen kunnen opwarmen, wat de beweging van elektronen kan vertragen. Door licht te gebruiken voor het pendelen van informatie, is het mogelijk om snellere en efficiëntere optische computerapparatuur te creëren.

Onderzoekers hopen dat het gebruik van licht voor informatie-shuttle in optische computers zal resulteren in de ontwikkeling van exascale computers. Exascale computers zijn in staat om miljarden berekeningen per seconde uit te voeren, wat 1000 keer sneller is dan de huidige snelste systemen. Door licht te gebruiken voor communicatie, is het mogelijk om dit niveau van verwerkingssnelheid te bereiken, wat resulteert in krachtigere en efficiëntere computerapparatuur.

De voor- en nadelen van optisch computergebruik

De voordelen van optisch computergebruik zijn:

• Snelle dichtheid, klein formaat, minimale opwarming van knooppunten, hoge snelheid, dynamische schaling en herconfigureerbaarheid in kleinere/grotere netwerken/topologieën, enorme parallelle rekenmogelijkheden en AI-toepassingen zijn slechts enkele van de belangrijkste voordelen van optische computers.
• Optische verbindingen hebben naast snelheid verschillende voordelen. Ze zijn niet gevoelig voor elektrische kortsluiting en zijn immuun voor elektromagnetische interferentie.
• Ze bieden transmissie met weinig verlies en veel bandbreedte, waardoor meerdere kanalen tegelijkertijd kunnen communiceren.
• Gegevensverwerking op optische componenten is goedkoper en eenvoudiger dan gegevensverwerking op elektronische componenten.
• Fotonen interageren niet zo snel met elkaar als elektronen, omdat ze niet geladen zijn. Dit biedt een bijkomend voordeel omdat de full-duplexwerking het mogelijk maakt dat lichtstralen elkaar kruisen.
• In vergelijking met magnetische materialen zijn optische materialen toegankelijker en hebben ze een hogere opslagdichtheid.

De nadelen van optisch computergebruik zijn:

• Het is moeilijk om fotonische kristallen te ontwikkelen.
• Door de interactie van verschillende signalen is berekening een complex proces.
• De huidige prototypen van optische computers zijn behoorlijk omvangrijk. 

Optische computers versus kwantumcomputers

Optische computers en kwantumcomputers zijn twee verschillende technologieën die het potentieel hebben om een ​​revolutie teweeg te brengen in de manier waarop we denken over berekeningen en gegevensverwerking.

Optische computers gebruiken licht om berekeningen en gegevensverwerkingstaken uit te voeren, terwijl kwantumcomputers de principes van de kwantummechanica gebruiken om berekeningen uit te voeren.

---

Qudit-computers openen eindeloze mogelijkheden door het binaire systeem te overschrijden

---

Een van de belangrijkste verschillen tussen de twee technologieën is de snelheid waarmee ze berekeningen kunnen uitvoeren. Optisch computergebruik kan met veel hogere snelheden werken dan traditioneel elektronisch computergebruik en is in sommige gevallen ook sneller dan kwantumcomputers. Dit komt door het feit dat fotonen, de lichtdeeltjes die worden gebruikt in optische computers, gemakkelijk kunnen worden gemanipuleerd en gecontroleerd om een ​​breed scala aan taken uit te voeren.

Aan de andere kant heeft kwantumcomputing het potentieel om bepaalde problemen op te lossen die momenteel de mogelijkheden van zelfs de meest geavanceerde computers te boven gaan. Dit komt door de unieke eigenschappen van de kwantummechanica, die het mogelijk maken om zeer complexe en verstrengelde toestanden te creëren die kunnen worden gebruikt om berekeningen uit te voeren.

Over het algemeen hebben zowel optische computers als kwantumcomputers het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen op het gebied van berekeningen en gegevensverwerking. Hoewel ze verschillende sterke punten en beperkingen hebben, bieden beide technologieën opwindende nieuwe mogelijkheden voor het oplossen van complexe problemen en het vergroten van ons begrip van de wereld.

Optische computerbedrijven

Als je meer wilt weten, hebben we de meest uitgebreide lijst samengesteld van de beste quantumcomputerbedrijven die er zijn!

Xanadu Quantum-technologieën

Canadees technologiebedrijf Xanadu Quantum-technologieën is een belangrijke leverancier van hardware voor fotonische kwantumcomputers.

Het doel van Xanadu, een bedrijf dat in 2016 is opgericht door CEO Christian Weedbrook, is om kwantumcomputers te maken die voor iedereen toegankelijk en nuttig zijn. Het bedrijf heeft een full-stack-strategie aangenomen om dit doel te bereiken en ontwikkelt hardware en software, en houdt zich bezig met baanbrekend onderzoek met geselecteerde partners.

Met behulp van de Strawberry Fields-applicatiebibliotheek en de Xanadu Quantum Cloud (XQC)-service kunnen bedrijven en academici nu Xanadu's fotonische kwantumcomputers gaan gebruiken.

Door de oprichting van PennyLane, een open-sourceproject dat is uitgegroeid tot een vooraanstaande softwarebibliotheek onder kwantumonderzoekers en -ontwikkelaars, ontwikkelt het bedrijf ook het gebied van quantum machine learning (QML).

PsiQuantum

Doel van PsiQuantum, een groep kwantumfysici, halfgeleider-, systeem- en software-ingenieurs, systeemarchitecten en anderen is om de eerste bruikbare kwantumcomputer te maken door de fotonische benadering te gebruiken, omdat ze denken dat deze technische voordelen biedt op de schaal die nodig is voor foutcorrectie. Ze genereerden media-aandacht door zich te concentreren op een kwantumcomputer van 1 miljoen qubit.

PsiQuantum werd in 2015 opgericht door Jeremy O'Brien, Terry Rudolph, Pete Shadbolt en Mark Thompson en heeft zijn hoofdkantoor in Silicon Valley, het epicentrum van technologische innovatie.

ORCA-computers

Gebaseerd op onderzoek van professor Ian Walmsley's Ultra-fast and Non-linear Quantum Optics Group aan de Universiteit van Oxford, ORCA werd in Londen opgericht door bekwame wetenschappers en zakenmensen. Ian Walmsley, Josh Nunn en Kris Kaczmarek in de groep realiseerden zich dat kwantumherinneringen op korte termijn fotonische activiteiten zouden kunnen synchroniseren en kwantumcomputing echt schaalbaar zouden kunnen maken.

Door gebruik te maken van het ORCA-kwantumgeheugen om dit redundantieprobleem aan te pakken, ontsluit ORCA het potentieel van kwantumfotonica zonder de ernstige compromissen van concurrerende methoden.

ORCA is in 2019 opgericht door Ian Walmsley, Richard Murray, Josh Nunn en Cristina Escoda en is gevestigd in Londen.

Quandela

Een nieuw bedrijf belde Quandela is gewijd aan het creëren van functionele apparaten voor onderzoek naar fotonica, kwantumcomputers en kwantuminformatie.

Het creëert kenmerkende kwantumlichtbronnen in vaste toestand. Met behulp van deze bronnen wordt een nieuwe generatie kwantumcomputers ontwikkeld op basis van de manipulatie van licht.

In 2017 richtten Valerian Giesz, Pascale Senellart en Niccolo Somaschi dit fotonicabedrijf op in Parijs.

TundraSystems wereldwijd

Brian Antao opgericht TundraSystems wereldwijd in Cardiff, Wales, om de talrijke ontwikkelingen van verschillende academische bronnen, zoals de Universiteit van Bristol, MIT, de UK Quantum Technology Hubs, enz., van de grond af op te bouwen in computationele oplossingen in een volledig optisch regime met behulp van de fundamentele basis van de kwantummechanica.

Het uiteindelijke doel van de organisatie is het creëren en distribueren van innovatieve oplossingen op het gebied van kwantumtechnologie. Het maken van een bibliotheek voor Tundra Quantum Photonics Technology is de eerste stap in het ontwikkelingsproces. Dit is een onderdeel van de strategie van Tundra System, aangezien het werkt om de TundraProcessor te creëren, een volledig functionele kwantumfotonica-microprocessor. Met behulp van deze bibliotheek kan een uitgebreid HPC-systeem worden gebouwd dat de TundraProcessor omringt, wat het ook gemakkelijker moet maken voor het ecosysteem van fotonische geïntegreerde schakelingen om te evolueren.

Conclusie

Tot slot zien we opwindende ontwikkelingen in het gebruik van lasers en licht in computers. Naarmate de optische technologie zich verder ontwikkelt, kunnen we verwachten dat deze wordt gebruikt in een breed scala aan toepassingen, van parallelle verwerkings- en storage area-netwerken tot optische datanetwerken en biometrische opslagapparaten.

De processors van de huidige computers bevatten nu lichtdetectoren en kleine lasers die gegevensoverdracht via optische vezels mogelijk maken. Sommige bedrijven ontwikkelen zelfs optische processors die optische schakelaars en laserlicht gebruiken om berekeningen uit te voeren. Intel, een van de toonaangevende voorstanders van deze technologie, creëert een geïntegreerde siliciumfotonicalink die 50 gigabytes per seconde aan ononderbroken informatie kan verzenden.

---

Een nieuw neurocomputationeel model kan onderzoek naar neurale kunstmatige intelligentie bevorderen

---

Toekomstige computers kunnen komen zonder schermen, waarbij informatie wordt gepresenteerd door middel van hologrammen in de lucht boven het toetsenbord. Deze technologie wordt mogelijk gemaakt door de samenwerking van onderzoekers en industriële experts. Bovendien wordt voorspeld dat het praktische gebruik van optische technologie in de vorm van optische netwerken elk jaar zal groeien.

Met zijn potentieel voor snelle en efficiënte berekeningen, staat optische technologie klaar om een ​​revolutie teweeg te brengen in de manier waarop we denken over berekeningen en gegevensverwerking.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/