Powstanie zintegrowanej fotoniki: jak światło zmienia oblicze informatyki?

Obliczenia optyczne to rewolucyjna technologia, która może zmienić sposób, w jaki myślimy o obliczeniach. W przeciwieństwie do tradycyjnych komputerów, które do wykonywania obliczeń wykorzystują sygnały elektryczne, obliczenia optyczne wykorzystują światło. Pozwala to na znacznie wyższą częstotliwość przetwarzania danych, umożliwiając wykonywanie dużych i złożonych obliczeń z niewiarygodnie dużą szybkością.

Jedną z kluczowych technologii obliczeń optycznych jest przetwarzanie fotoniczne, które wykorzystuje fotony do wykonywania obliczeń zamiast elektronów. Pozwala to na bardziej wydajne i syntetyczne podejście do obliczeń, ponieważ fotonami można łatwo manipulować i kontrolować, aby wykonywać szeroki zakres zadań.

Inną kluczową technologią w dziedzinie obliczeń optycznych jest zintegrowana fotonika. Odnosi się to do integracji komponentów fotonicznych w jednym, kompaktowym urządzeniu, co pozwala na bardziej wydajne i skalowalne podejście do obliczeń.

Ogólnie rzecz biorąc, wykorzystanie tych technologii może zrewolucjonizować sposób, w jaki myślimy o obliczeniach i przetwarzaniu danych. Dzięki obliczeniom optycznym możemy rozwiązywać problemy, które obecnie przekraczają możliwości nawet najbardziej zaawansowanych komputerów, i robić to z szybkościami niewyobrażalnymi przy dzisiejszych technologiach.

Naukowcy odkryli sposób na uruchamianie bramek logicznych opartych na świetle, które są milion razy szybsze niż konwencjonalne elektroniczne bramki logiczne znajdujące się w tradycyjnych procesorach komputerowych. Te bramki logiczne, które składają się z funkcji boolowskich i uruchamiają procedury binarne, są zwykle uruchamiane elektronicznie. Jednak nowa metoda wykorzystuje światło do wykonywania tych samych funkcji, co prowadzi do znacznie większej szybkości przetwarzania.

Stwierdzono to w badaniu przeprowadzonym na Uniwersytecie AALTO i opublikowane w czasopiśmie Science Advances.

Co to jest przetwarzanie optyczne?

Komputer optyczny, znany również jako komputer fotoniczny, to urządzenie, które wykonuje obliczenia cyfrowe przy użyciu fotonów w wiązkach światła widzialnego lub podczerwieni (IR), w przeciwieństwie do prądu elektrycznego. Prędkość prądu elektrycznego to zaledwie 10% prędkości światła. Jednym z powodów, które doprowadziły do ​​rozwoju światłowodów, było ograniczenie szybkości przesyłania danych na duże odległości. Komputer, który może wykonywać procesy dziesięć lub więcej razy szybciej niż tradycyjny komputer elektroniczny, może pewnego dnia zostać stworzony dzięki wdrożeniu niektórych zalet sieci widzialnych i/lub podczerwieni przy rozmiarze urządzenia i komponentu.

W przeciwieństwie do prądu elektrycznego, promienie widzialne i podczerwone przepływają przez siebie bez interakcji. Nawet jeśli są one ograniczone zasadniczo do dwóch wymiarów, wiele (lub wiele) wiązek laserowych może świecić tak, że ich ścieżki się krzyżują, ale nie ma interferencji między wiązkami. Okablowanie w trzech wymiarach jest ważne, ponieważ prądy elektryczne muszą być skierowane wokół siebie. W rezultacie komputer optyczny może być również mniejszy, a ponadto znacznie szybszy niż komputer elektroniczny.

Chociaż niektórzy inżynierowie przewidują, że przetwarzanie optyczne stanie się w przyszłości powszechne, większość ekspertów zgadza się, że zmiany będą następować stopniowo w określonych niszach. Istnieje kilka optycznych układów scalonych, które zostały opracowane i wyprodukowane. (Obwody optyczne zostały wykorzystane do budowy co najmniej jednego w pełni funkcjonalnego, choć nieco dużego komputera.) Dzieląc obraz na woksele, można transmitować trójwymiarowe, pełnoekranowe wideo za pośrednictwem sieci światłowodów. Mimo że impulsy danych używane do sterowania niektórymi urządzeniami optycznymi to fale światła widzialnego lub podczerwieni, prądy elektroniczne mogą je obsługiwać.

Komunikacja cyfrowa, w której światłowodowy transfer danych jest już powszechny, to obszar, w którym technologia optyczna rozwinęła się najbardziej. Ostatecznym celem jest tak zwana sieć fotoniczna, w której każde źródło i miejsce docelowe są połączone tylko fotonami widzialnymi i podczerwonymi. Drukarki laserowe, kserokopiarki, skanery, napędy CD-ROM i ich odpowiedniki wykorzystują technologię optyczną. Wszystkie te urządzenia opierają się jednak w pewnym stopniu na zwykłych obwodach elektronicznych i częściach; żaden z nich nie jest całkowicie optyczny.

Jak działają obliczenia optyczne?

Obliczenia optyczne są podobne do tradycyjnych obliczeń, ponieważ do wykonywania obliczeń wykorzystują bramki logiczne i procedury binarne. Różni się jednak sposobem wykonywania tych obliczeń. W obliczeniach optycznych fotony są generowane przez diody LED, lasery i inne urządzenia i są używane do kodowania danych w podobny sposób jak elektrony w tradycyjnych komputerach. Pozwala to na znacznie szybsze i wydajniejsze obliczenia, ponieważ fotonami można łatwo manipulować i kontrolować w celu wykonywania szerokiego zakresu zadań.

---

IIoT i przetwarzanie brzegowe zyskują na popularności w wielu branżach

---

Ostatecznym celem, jakim jest opracowanie komputera optycznego, prowadzone są badania koncentrujące się na projektowaniu i wdrażaniu tranzystorów optycznych. Wiązkę światła skutecznie blokuje ekran polaryzacyjny obracający się o 90 stopni. Elementy dielektryczne, które mogą działać jako polaryzatory, są również wykorzystywane do tworzenia tranzystorów optycznych. Pomimo pewnych trudności technicznych, optyczne bramki logiczne są zasadniczo możliwe. Składałyby się z jednej kontrolki i wielu wiązek, które dawałyby odpowiednie wyniki logiczne.

Jedną z głównych zalet tradycyjnych komputerów elektronicznych jest to, że kanały krzemowe i druty miedziane mogą być używane do kierowania i kontrolowania ruchu elektronów. Pozwala to na wydajne i niezawodne obliczenia.

W obliczeniach optycznych podobny efekt można osiągnąć za pomocą nanocząstek plazmonowych. Cząsteczki te mogą kierować i kontrolować ruch fotonów, pozwalając im skręcać zakręty i kontynuować swoją drogę bez znaczącej utraty mocy lub konwersji na elektrony. Umożliwia to tworzenie kompaktowych i wydajnych optycznych urządzeń obliczeniowych.

Większość części chipa optycznego jest podobna do tradycyjnego chipa komputerowego, z elektronami używanymi do przetwarzania i przekształcania informacji. Jednak interkonekty, które służą do przesyłania informacji między różnymi obszarami chipa, zostały znacząco zmienione.

W obliczeniach optycznych światło jest używane zamiast elektronów do przesyłania informacji. Wynika to z faktu, że światło można łatwo zatrzymać i ma tę zaletę, że zmniejsza utratę informacji podczas podróży. Jest to szczególnie przydatne w sytuacjach, gdy interkonekty mogą się nagrzewać, co może spowolnić ruch elektronów. Wykorzystując światło do przesyłania informacji, możliwe jest tworzenie szybszych i wydajniejszych optycznych urządzeń obliczeniowych.

Naukowcy mają nadzieję, że wykorzystanie światła do przesyłania informacji w obliczeniach optycznych zaowocuje rozwojem komputerów eksaskalowych. Komputery eksaskalowe są w stanie wykonać miliardy obliczeń na sekundę, czyli 1000 razy szybciej niż obecnie najszybsze systemy. Wykorzystując światło do komunikacji, możliwe jest osiągnięcie tego poziomu szybkości przetwarzania, co skutkuje mocniejszymi i wydajniejszymi urządzeniami komputerowymi.

Zalety i wady obliczeń optycznych

Zalety obliczeń optycznych to:

• Duża gęstość, mały rozmiar, minimalne nagrzewanie złączy, duża prędkość, dynamiczne skalowanie i rekonfiguracja w mniejsze/większe sieci/topologie, ogromne możliwości obliczeń równoległych i aplikacje AI to tylko niektóre z podstawowych zalet komputerów optycznych.
• Połączenia optyczne mają różne zalety oprócz szybkości. Nie są podatne na zwarcia elektryczne i są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne.
• Zapewniają transmisję o niskich stratach i dużą przepustowość, umożliwiając jednoczesną komunikację wielu kanałów.
• Przetwarzanie danych na elementach optycznych jest tańsze i prostsze niż przetwarzanie danych na elementach elektronicznych.
• Fotony nie oddziałują ze sobą tak szybko jak elektrony, ponieważ nie są naładowane. Zapewnia to dodatkową korzyść, ponieważ tryb pełnego dupleksu umożliwia wzajemne przechodzenie wiązek światła.
• W porównaniu z materiałami magnetycznymi materiały optyczne są bardziej dostępne i mają większą gęstość przechowywania.

Wady obliczeń optycznych to:

• Trudno jest opracować kryształy fotoniczne.
• Ze względu na interakcję kilku sygnałów obliczenia są złożonym procesem.
• Obecne prototypy komputerów optycznych są dość nieporęczne. 

Obliczenia optyczne a obliczenia kwantowe

Obliczenia optyczne i obliczenia kwantowe to dwie różne technologie, które mogą zrewolucjonizować sposób, w jaki myślimy o obliczeniach i przetwarzaniu danych.

Obliczenia optyczne wykorzystują światło do wykonywania obliczeń i zadań związanych z przetwarzaniem danych, podczas gdy obliczenia kwantowe wykorzystują zasady mechaniki kwantowej do wykonywania obliczeń.

---

Komputery Quidit otwierają nieograniczone możliwości, przekraczając system binarny

---

Jedną z kluczowych różnic między tymi dwiema technologiami jest szybkość, z jaką są w stanie wykonywać obliczenia. Obliczenia optyczne są w stanie działać z dużo większymi prędkościami niż tradycyjne obliczenia elektroniczne, aw niektórych przypadkach są również szybsze niż obliczenia kwantowe. Wynika to z faktu, że fotony, cząsteczki światła wykorzystywane w obliczeniach optycznych, można łatwo manipulować i kontrolować w celu wykonywania szerokiego zakresu zadań.

Z drugiej strony obliczenia kwantowe mają potencjał rozwiązywania pewnych problemów, które obecnie przekraczają możliwości nawet najbardziej zaawansowanych komputerów. Wynika to z unikalnych właściwości mechaniki kwantowej, które pozwalają na tworzenie bardzo złożonych i splątanych stanów, które można wykorzystać do wykonywania obliczeń.

Ogólnie rzecz biorąc, zarówno obliczenia optyczne, jak i obliczenia kwantowe mogą zrewolucjonizować dziedzinę obliczeń i przetwarzania danych. Obie technologie, choć mają różne mocne strony i ograniczenia, oferują nowe, ekscytujące możliwości rozwiązywania złożonych problemów i pogłębiania naszego rozumienia świata.

Firmy zajmujące się komputerami optycznymi

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej, przygotowaliśmy najdokładniejszą listę najlepszych firm zajmujących się komputerami kwantowymi!

Technologie kwantowe Xanadu

Kanadyjski biznes technologiczny Technologie kwantowe Xanadu jest głównym dostawcą sprzętu do fotonicznych obliczeń kwantowych.

Celem Xanadu, firmy założonej w 2016 roku przez dyrektora generalnego Christiana Weedbrooka, jest tworzenie komputerów kwantowych, które są dostępne i korzystne dla wszystkich. Aby osiągnąć ten cel, firma przyjęła strategię pełnego stosu i opracowuje sprzęt, oprogramowanie oraz angażuje się w najnowocześniejsze badania z wybranymi partnerami.

Z pomocą biblioteki aplikacji Strawberry Fields i usługi Xanadu Quantum Cloud (XQC) firmy i naukowcy mogą teraz zacząć korzystać z fotonicznych komputerów kwantowych Xanadu.

Dzięki utworzeniu PennyLane, projektu typu open source, który stał się wiodącą biblioteką oprogramowania wśród badaczy i programistów kwantowych, firma rozwija również dziedzinę kwantowego uczenia maszynowego (QML).

Psikwantowe

Celem Psikwantowe, grupa fizyków kwantowych, półprzewodników, inżynierów systemów i oprogramowania, architektów systemów i innych, ma stworzyć pierwszy użyteczny komputer kwantowy przy użyciu podejścia fotonicznego, ponieważ uważają, że oferuje ono korzyści techniczne w skali potrzebnej do korekcji błędów. Przyciągnęli uwagę mediów, koncentrując się na komputerze kwantowym o pojemności 1 miliona kubitów.

Firma PsiQuantum została założona w 2015 roku przez Jeremy'ego O'Briena, Terry'ego Rudolpha, Pete'a Shadbolta i Marka Thompsona, a jej główna siedziba znajduje się w Dolinie Krzemowej, epicentrum innowacji technologicznych.

Obliczenia ORCA

Na podstawie badań przeprowadzonych przez Ultraszybką i Nieliniową Optykę Kwantową profesora Iana Walmsleya na Uniwersytecie Oksfordzkim, ORCA została założona w Londynie przez wykwalifikowanych naukowców i biznesmenów. Ian Walmsley, Josh Nunn i Kris Kaczmarek w grupie zdali sobie sprawę, że „krótkoterminowe” pamięci kwantowe mogą synchronizować działania fotoniczne i sprawić, że obliczenia kwantowe będą naprawdę skalowalne.

Wykorzystując pamięć kwantową ORCA do rozwiązania problemu nadmiarowości, ORCA uwalnia potencjał fotoniki kwantowej bez poważnych kompromisów konkurencyjnych metod.

ORCA została założona w 2019 roku przez Iana Walmsleya, Richarda Murraya, Josha Nunna i Cristinę Escodę i ma siedzibę w Londynie.

Quandela

Nowa firma tzw Quandela zajmuje się tworzeniem funkcjonalnych urządzeń do badań nad fotoniką, komputerami kwantowymi i informacją kwantową.

Tworzy charakterystyczne półprzewodnikowe kwantowe źródła światła. Przy użyciu tych źródeł opracowywana jest nowa generacja komputerów kwantowych opartych na manipulacji światłem.

W 2017 roku Valerian Giesz, Pascale Senellart i Niccolo Somaschi stworzyli tę firmę fotoniczną w Paryżu.

Globalna firma TundraSystems

Założona przez Briana Antao Globalna firma TundraSystems w Cardiff w Walii, aby zbudować od podstaw liczne osiągnięcia z różnych źródeł akademickich, takich jak University of Bristol, MIT, UK Quantum Technology Hubs itp., w rozwiązaniach obliczeniowych w reżimie całkowicie optycznym z wykorzystaniem fundamentalnej podstawy mechaniki kwantowej.

Ostatecznym celem organizacji jest tworzenie i dystrybucja innowacyjnych rozwiązań technologii kwantowej. Tworzenie biblioteki dla Tundra Quantum Photonics Technology to pierwszy krok w procesie rozwoju. Jest to element strategii firmy Tundra System, która pracuje nad stworzeniem TundraProcessor, w pełni funkcjonalnego mikroprocesora fotoniki kwantowej. Za pomocą tej biblioteki można zbudować kompleksowy system HPC otaczający TundraProcessor, co powinno również ułatwić ewolucję ekosystemu fotonicznych układów scalonych.

Wnioski

Podsumowując, widzimy ekscytujące postępy w wykorzystaniu laserów i światła w informatyce. Ponieważ technologia optyczna stale się rozwija, możemy spodziewać się, że będzie ona wykorzystywana w wielu różnych zastosowaniach, od przetwarzania równoległego i sieci pamięci masowej po optyczne sieci danych i biometryczne urządzenia pamięci masowej.

Procesory dzisiejszych komputerów zawierają detektory światła i maleńkie lasery, które ułatwiają transmisję danych za pomocą światłowodów. Niektóre firmy opracowują nawet procesory optyczne, które wykorzystują przełączniki optyczne i światło laserowe do wykonywania obliczeń. Intel, jeden z czołowych propagatorów tej technologii, tworzy zintegrowane krzemowe łącze fotoniczne, które może przesyłać nieprzerwane informacje z prędkością 50 gigabajtów na sekundę.

---

Nowy model neuroinformatyczny może przyspieszyć badania nad sztuczną inteligencją neuronową

---

Przyszłe komputery mogą być dostarczane bez ekranów, a informacje będą prezentowane za pomocą hologramów w powietrzu nad klawiaturą. Technologia ta jest możliwa dzięki współpracy naukowców i ekspertów przemysłowych. Ponadto przewiduje się, że praktyczne wykorzystanie technologii optycznej w postaci sieci optycznych będzie rosło z każdym rokiem.

Dzięki potencjałowi szybkich i wydajnych obliczeń technologia optyczna może zrewolucjonizować sposób, w jaki myślimy o obliczeniach i przetwarzaniu danych.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/