Fremveksten av integrert fotonikk: Hvordan endrer lys ansiktet til databehandling?

Optisk databehandling er en revolusjonerende teknologi som har potensial til å endre måten vi tenker på databehandling. I motsetning til tradisjonelle datamaskiner, som bruker elektriske signaler for å utføre beregninger, bruker optisk databehandling lys. Dette gir mulighet for en mye høyere frekvens av databehandling, noe som gjør det mulig å kjøre store og komplekse beregninger med utrolig høye hastigheter.

En av nøkkelteknologiene bak optisk databehandling er fotonisk databehandling, som bruker fotoner til å utføre beregninger i stedet for elektroner. Dette gir mulighet for en mer effektiv og syntetisk tilnærming til beregning, da fotoner enkelt kan manipuleres og kontrolleres for å utføre et bredt spekter av oppgaver.

En annen nøkkelteknologi innen optisk databehandling er integrert fotonikk. Dette refererer til integrering av fotoniske komponenter i en enkelt, kompakt enhet, noe som muliggjør en mer effektiv og skalerbar tilnærming til beregning.

Totalt sett har bruken av disse teknologiene potensial til å revolusjonere måten vi tenker på beregning og databehandling. Med optisk databehandling kan vi løse problemer som for øyeblikket er utenfor mulighetene til selv de mest avanserte datamaskinene og gjøre det med hastigheter som er utenkelige med dagens teknologier.

Forskere har oppdaget en måte å kjøre lysbaserte logiske porter, som er en million ganger raskere enn konvensjonelle elektroniske logiske porter som finnes i tradisjonelle dataprosessorer. Disse logiske portene, som består av boolske funksjoner og kjører binære rutiner, kjøres vanligvis elektronisk. Den nye metoden bruker imidlertid lys til å utføre de samme funksjonene, noe som fører til betydelig raskere prosesseringshastigheter.

Dette ble funnet i en studie utført ved AALTO University og utgitt i tidsskriftet Science Advances.

Hva er optisk databehandling?

En optisk datamaskin, også kjent som en fotonisk datamaskin, er en enhet som utfører digitale beregninger ved hjelp av fotoner i synlig lys eller infrarøde (IR) stråler i motsetning til elektrisk strøm. Hastigheten til en elektrisk strøm er bare 10% av lysets hastighet. En av årsakene som førte til utviklingen av optisk fiber var begrensningen på hastigheten som data kan overføres med over lange avstander. En datamaskin som kan utføre prosesser ti eller flere ganger raskere enn en tradisjonell elektronisk datamaskin, kan en dag bli opprettet ved å implementere noen av fordelene med synlige og/eller IR-nettverk på enhetens og komponentstørrelsen.

I motsetning til elektriske strømmer flyter synlige og infrarøde stråler over hverandre uten å samhandle. Selv når de er begrenset til i hovedsak to dimensjoner, kan mange (eller mange) laserstråler skinne slik at banene deres krysser hverandre, men det er ingen interferens mellom strålene. Kabling i tre dimensjoner er viktig fordi elektriske strømmer må rettes rundt hverandre. Som et resultat kan en optisk datamaskin også være mindre i tillegg til å være betydelig raskere enn en elektronisk.

Selv om noen ingeniører spår at optisk databehandling vil bli utbredt i fremtiden, er de fleste eksperter enige om at endringer vil skje gradvis i spesifikke nisjer. Det er noen optiske integrerte kretser som er utviklet og produsert. (Optiske kretser har blitt brukt i konstruksjonen av minst én fullverdig, om enn noe stor, datamaskin.) Ved å dele bildet inn i voksler kan en tredimensjonal video i full bevegelse kringkastes via et nettverk av fibre. Selv om dataimpulsene som brukes til å kontrollere enkelte optiske enheter er synlig lys eller infrarøde bølger, kan elektroniske strømmer likevel betjene dem.

Digital kommunikasjon, hvor fiberoptisk dataoverføring allerede er utbredt, er der den optiske teknologien har utviklet seg mest. Det endelige målet er det såkalte fotoniske nettverket, hvor hver kilde og destinasjon kun er forbundet med synlige og infrarøde fotoner. Laserskrivere, kopimaskiner, skannere og CD-ROM-stasjoner og deres slektninger bruker alle optisk teknologi. Alle disse enhetene er imidlertid til en viss grad avhengige av vanlige elektroniske kretser og deler; ingen av dem er helt optiske.

Hvordan fungerer optisk databehandling?

Optisk databehandling ligner på tradisjonell databehandling ved at den bruker logiske porter og binære rutiner for å utføre beregninger. Det er imidlertid forskjellig på måten disse beregningene utføres på. I optisk databehandling genereres fotoner av lysdioder, lasere og andre enheter og brukes til å kode data på en lignende måte som elektroner i tradisjonell databehandling. Dette muliggjør mye raskere og mer effektiv beregning, ettersom fotoner enkelt kan manipuleres og kontrolleres for å utføre et bredt spekter av oppgaver.

---

IIoT og edge computing vinner frem i mange bransjer

---

Med det endelige målet om å utvikle en optisk datamaskin, er det studier som fokuserer på design og implementering av optiske transistorer. En lysstråle kan effektivt blokkeres av en polariserende skjerm som roterer 90 grader. Dielektriske komponenter som har kapasitet til å fungere som polarisatorer, brukes også til å lage optiske transistorer. Til tross for noen tekniske vanskeligheter, er optiske logiske porter fundamentalt mulig. De ville bestå av en enkelt kontroll og mange stråler som ville gi de riktige logiske resultatene.

En stor fordel med tradisjonelle elektroniske datamaskiner er at silisiumkanaler og kobbertråder kan brukes til å styre og kontrollere elektronenes bevegelse. Dette muliggjør effektiv og pålitelig beregning.

I optisk databehandling kan en lignende effekt oppnås ved bruk av plasmoniske nanopartikler. Disse partiklene kan lede og kontrollere fotonernes bevegelse, slik at de kan svinge og fortsette på veien uten betydelig tap av kraft eller konvertering til elektroner. Dette gjør det mulig å lage kompakte og effektive optiske dataenheter.

De fleste deler av en optisk brikke ligner på en tradisjonell databrikke, med elektroner som brukes til å behandle og transformere informasjon. Sammenkoblingene, som brukes til å sende informasjon mellom ulike områder av brikken, har imidlertid blitt betydelig endret.

I optisk databehandling brukes lys i stedet for elektroner for å sende informasjon. Dette er fordi lyset lett kan holdes inne og har fordelen av mindre tap av informasjon under reise. Dette er spesielt nyttig i situasjoner der sammenkoblingene kan varmes opp, noe som kan bremse elektronenes bevegelse. Ved å bruke lys til informasjonstransport er det mulig å lage raskere og mer effektive optiske dataenheter.

Forskere håper at bruken av lys til informasjonsoverføring i optisk databehandling vil resultere i utviklingen av datamaskiner i exascale. Exascale-datamaskiner er i stand til å utføre milliarder av beregninger hvert sekund, som er 1000 ganger raskere enn dagens raskeste systemer. Ved å bruke lys for kommunikasjon er det mulig å oppnå dette nivået av prosesseringshastighet, noe som resulterer i kraftigere og mer effektive dataenheter.

Fordelene og ulempene med optisk databehandling

Fordelene med optisk databehandling er:

• Rask tetthet, liten størrelse, minimal oppvarming av kryss, høy hastighet, dynamisk skalering og rekonfigurerbarhet til mindre/større nettverk/topologier, stor parallell databehandlingskapasitet og AI-applikasjoner er bare noen av de viktigste fordelene med optiske datamaskiner.
• Optiske sammenkoblinger har ulike fordeler i tillegg til hastighet. De er ikke utsatt for elektriske kortslutninger og er immune mot elektromagnetisk interferens.
• De gir overføring med lavt tap og mye båndbredde, noe som gjør at flere kanaler kan kommunisere samtidig.
• Databehandling på optiske komponenter er rimeligere og enklere enn databehandling på elektroniske komponenter.
• Fotoner samhandler ikke med hverandre så raskt som elektroner gjør siden de ikke er ladet. Dette gir en ytterligere fordel fordi full dupleksfunksjon lar lysstrålene passere over hverandre.
• Sammenlignet med magnetiske materialer er optiske materialer mer tilgjengelige og har høyere lagringstetthet.

Ulempene med optisk databehandling er:

• Det er vanskelig å utvikle fotoniske krystaller.
• På grunn av samspillet mellom flere signaler, er beregning en kompleks prosess.
• Nåværende optiske datamaskinprototyper er ganske store i størrelse. 

Optisk databehandling vs kvantedatabehandling

Optisk databehandling og kvantedatabehandling er to forskjellige teknologier som har potensial til å revolusjonere måten vi tenker på databehandling og databehandling.

Optisk databehandling bruker lys til å utføre beregninger og databehandlingsoppgaver, mens kvantedatabehandling bruker kvantemekanikkens prinsipper for å utføre beregninger.

---

Qudit-datamaskiner åpner uendelige muligheter ved å overskride det binære systemet

---

En av de viktigste forskjellene mellom de to teknologiene er hastigheten de er i stand til å utføre beregninger med. Optisk databehandling er i stand til å operere med mye høyere hastigheter enn tradisjonell elektronisk databehandling og er også raskere enn kvantedatabehandling i noen tilfeller. Dette skyldes det faktum at fotoner, lyspartiklene som brukes i optisk databehandling, lett kan manipuleres og kontrolleres for å utføre et bredt spekter av oppgaver.

På den annen side har kvanteberegning potensialet til å løse visse problemer som for øyeblikket er utenfor mulighetene til selv de mest avanserte datamaskinene. Dette skyldes de unike egenskapene til kvantemekanikken, som gjør det mulig å lage svært komplekse og sammenfiltrede tilstander som kan brukes til å utføre beregninger.

Samlet sett har både optisk databehandling og kvantedatabehandling potensial til å revolusjonere feltet for beregning og databehandling. Selv om de har forskjellige styrker og begrensninger, tilbyr begge teknologiene spennende nye muligheter for å løse komplekse problemer og fremme vår forståelse av verden.

Optiske databedrifter

Hvis du er interessert i å lære mer, har vi satt sammen den mest grundige listen over de beste kvantedatabedriftene der ute!

Xanadu Quantum Technologies

Kanadisk teknologivirksomhet Xanadu Quantum Technologies er en stor leverandør av fotonisk kvantedatamaskinvare.

Målet til Xanadu, et selskap etablert i 2016 av administrerende direktør Christian Weedbrook, er å lage kvantedatamaskiner som er tilgjengelige og fordelaktige for alle. Selskapet har vedtatt en fullstack-strategi for å oppnå dette målet, og utvikler maskinvare, programvare og engasjerer seg i banebrytende forskning med utvalgte partnere.

Ved hjelp av Strawberry Fields-applikasjonsbiblioteket og Xanadu Quantum Cloud (XQC)-tjenesten kan bedrifter og akademikere nå begynne å bruke Xanadus fotoniske kvantedatamaskiner.

Gjennom etableringen av PennyLane, et åpen kildekode-prosjekt som har vokst til å bli et ledende programvarebibliotek blant kvanteforskere og utviklere, utvikler virksomheten også feltet kvantemaskinlæring (QML).

PsiQuantum

Målet med PsiQuantum, en gruppe kvantefysikere, halvleder-, system- og programvareingeniører, systemarkitekter og andre skal lage den første nyttige kvantedatamaskinen ved å bruke den fotoniske tilnærmingen fordi de tror den gir tekniske fordeler i den skalaen som trengs for feilretting. De genererte medieoppmerksomhet ved å konsentrere seg om en 1 million qubit kvantedatamaskin.

PsiQuantum ble etablert i 2015 av Jeremy O'Brien, Terry Rudolph, Pete Shadbolt og Mark Thompson og har hovedkontor i Silicon Valley, episenteret for teknologiinnovasjon.

ORCA Computing

Basert på forskning fra professor Ian Walmsleys Ultra-fast and Non-linear Quantum Optics Group ved University of Oxford, ORCA ble grunnlagt i London av dyktige forskere og forretningsfolk. Ian Walmsley, Josh Nunn og Kris Kaczmarek i gruppen innså at "kortsiktige" kvanteminner kan synkronisere fotoniske aktiviteter og gjøre kvantedatabehandling virkelig skalerbar.

Ved å utnytte ORCA kvanteminne for å løse dette redundansproblemet, låser ORCA opp potensialet til kvantefotonikk uten de alvorlige avveiningene fra konkurrerende metoder.

ORCA ble etablert i 2019 av Ian Walmsley, Richard Murray, Josh Nunn og Cristina Escoda og har base i London.

Quandela

Et nytt selskap ringte Quandela er dedikert til å lage funksjonelle enheter for forskning på fotonikk, kvantedatamaskiner og kvanteinformasjon.

Det skaper karakteristiske solid-state kvantelyskilder. En ny generasjon kvantedatamaskiner basert på manipulering av lys er utviklet ved hjelp av disse kildene.

I 2017 opprettet Valerian Giesz, Pascale Senellart og Niccolo Somaschi dette fotonikkfirmaet i Paris.

TundraSystems Global

Brian Antao grunnla TundraSystems Global i Cardiff, Wales, for å bygge fra grunnen av de mange utviklingene fra ulike akademiske kilder, som University of Bristol, MIT, UK Quantum Technology Hubs, etc., innen beregningsløsninger i et helt optisk regime ved å bruke det grunnleggende grunnlaget av kvantemekanikk.

Organisasjonens endelige mål er å skape og distribuere innovative kvanteteknologiløsninger. Å lage et bibliotek for Tundra Quantum Photonics Technology er det første trinnet i utviklingsprosessen. Dette er et element i Tundra Systems strategi da det jobber med å lage TundraProcessor, en fullt funksjonell kvantefotonikmikroprosessor. Et omfattende HPC-system som omgir TundraProcessor kan bygges ved hjelp av dette biblioteket, som også skal gjøre det lettere for økosystemet av fotoniske integrerte kretser å utvikle seg.

konklusjonen

Avslutningsvis ser vi spennende utviklinger innen bruk av lasere og lys i databehandling. Ettersom optisk teknologi fortsetter å utvikle seg, kan vi forvente å se den bli brukt i et bredt spekter av applikasjoner, fra parallell prosessering og lagringsområdenettverk til optiske datanettverk og biometriske lagringsenheter.

Prosessorene til dagens datamaskiner inneholder nå lysdetektorer og bittesmå lasere som letter dataoverføring gjennom optiske fibre. Noen selskaper utvikler til og med optiske prosessorer som bruker optiske brytere og laserlys for å utføre beregninger. Intel, en av de ledende talsmennene for denne teknologien, lager en integrert silisiumfotonikkobling som kan overføre 50 gigabyte per sekund med uavbrutt informasjon.

---

En ny nevroberegningsmodell kan fremme forskning på nevral kunstig intelligens

---

Fremtidige datamaskiner kan komme uten skjermer, med informasjon som presenteres gjennom hologrammer i luften over tastaturet. Denne teknologien er muliggjort gjennom samarbeid mellom forskere og industrielle eksperter. I tillegg er den praktiske bruken av optisk teknologi i form av optisk nettverk spådd å vokse for hvert år som går.

Med sitt potensial for høyhastighets og effektiv beregning, er optisk teknologi klar til å revolusjonere måten vi tenker på beregning og databehandling.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/