A ascensão da fotônica integrada: como a luz está mudando a face da computação?

A computação óptica é uma tecnologia revolucionária que tem o potencial de mudar a maneira como pensamos sobre a computação. Ao contrário dos computadores tradicionais, que usam sinais elétricos para realizar cálculos, a computação óptica usa luz. Isso permite uma frequência muito maior de processamento de dados, possibilitando a execução de cálculos grandes e complexos em velocidades incrivelmente rápidas.

Uma das principais tecnologias por trás da computação óptica é a computação fotônica, que usa fótons para realizar cálculos em vez de elétrons. Isso permite uma abordagem mais eficiente e sintética da computação, pois os fótons podem ser facilmente manipulados e controlados para executar uma ampla gama de tarefas.

Outra tecnologia chave no campo da computação óptica é a fotônica integrada. Isso se refere à integração de componentes fotônicos em um único dispositivo compacto, permitindo uma abordagem de computação mais eficiente e escalável.

No geral, o uso dessas tecnologias tem o potencial de revolucionar a maneira como pensamos sobre computação e processamento de dados. Com a computação óptica, podemos resolver problemas que atualmente estão além das capacidades até mesmo dos computadores mais avançados e fazê-lo em velocidades inimagináveis ​​com as tecnologias atuais.

Pesquisadores descobriram uma maneira de executar portas lógicas baseadas em luz, que são um milhão de vezes mais rápidas do que portas lógicas eletrônicas convencionais encontradas em processadores de computador tradicionais. Essas portas lógicas, que são compostas de funções booleanas e executam rotinas binárias, normalmente são executadas eletronicamente. No entanto, o novo método usa luz para executar as mesmas funções, levando a velocidades de processamento significativamente mais rápidas.

Isso foi constatado em um estudo realizado na Universidade AALTO e publicado na revista Science Advances.

O que é computação óptica?

Um computador óptico, também conhecido como computador fotônico, é um dispositivo que executa cálculos digitais usando fótons em feixes de luz visível ou infravermelho (IR) em oposição à corrente elétrica. A velocidade de uma corrente elétrica é apenas 10% da velocidade da luz. Uma das razões que levaram ao desenvolvimento da fibra ótica foi a restrição na taxa na qual os dados podem ser transmitidos em longas distâncias. Um computador que pode executar processos dez ou mais vezes mais rápido do que um computador eletrônico tradicional pode um dia ser criado implementando alguns dos benefícios das redes visíveis e/ou IR no tamanho do dispositivo e do componente.

Em contraste com as correntes elétricas, os feixes visíveis e infravermelhos fluem entre si sem interagir. Mesmo quando eles estão restritos a essencialmente duas dimensões, muitos (ou muitos) feixes de laser podem ser direcionados para que seus caminhos se cruzem, mas não há interferência entre os feixes. A fiação em três dimensões é importante porque as correntes elétricas devem ser direcionadas uma em torno da outra. Como resultado, um computador óptico também pode ser menor, além de ser significativamente mais rápido que um eletrônico.

Embora alguns engenheiros prevejam que a computação óptica se difundirá no futuro, a maioria dos especialistas concorda que as mudanças ocorrerão gradualmente em nichos específicos. Existem alguns circuitos integrados ópticos que foram desenvolvidos e produzidos. (Circuitos ópticos têm sido usados ​​na construção de pelo menos um computador completo, embora um tanto grande.) Ao dividir a imagem em voxels, um vídeo tridimensional em movimento completo pode ser transmitido por meio de uma rede de fibras. Mesmo que os impulsos de dados usados ​​para controlar alguns dispositivos ópticos sejam luz visível ou ondas infravermelhas, as correntes eletrônicas podem operá-los.

As comunicações digitais, onde a transferência de dados por fibra ótica já é predominante, é onde a tecnologia ótica mais avançou. O objetivo final é a chamada rede fotônica, onde cada fonte e destino são conectados apenas por fótons visíveis e infravermelhos. Impressoras a laser, fotocopiadoras, scanners e unidades de CD-ROM e seus parentes usam tecnologia óptica. Todos esses dispositivos, no entanto, dependem até certo ponto de circuitos e peças eletrônicas comuns; nenhum deles é inteiramente óptico.

Como funciona a computação óptica?

A computação óptica é semelhante à computação tradicional, pois usa portas lógicas e rotinas binárias para realizar cálculos. No entanto, difere na forma como esses cálculos são realizados. Na computação óptica, os fótons são gerados por LEDs, lasers e outros dispositivos e são usados ​​para codificar dados de maneira semelhante aos elétrons na computação tradicional. Isso permite uma computação muito mais rápida e eficiente, pois os fótons podem ser facilmente manipulados e controlados para executar uma ampla gama de tarefas.

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Com o objetivo final de desenvolver um computador óptico, existem estudos com foco no projeto e implementação de transistores ópticos. Um feixe de luz pode ser bloqueado com eficiência por uma tela polarizadora que gira 90 graus. Componentes dielétricos que têm a capacidade de operar como polarizadores também são usados ​​para criar transistores ópticos. Apesar de algumas dificuldades técnicas, portas lógicas ópticas são fundamentalmente possíveis. Eles consistiriam em um único controle e vários feixes que forneceriam os resultados lógicos corretos.

Uma grande vantagem dos computadores eletrônicos tradicionais é que canais de silício e fios de cobre podem ser usados ​​para guiar e controlar o movimento dos elétrons. Isso permite uma computação eficiente e confiável.

Na computação óptica, um efeito semelhante pode ser alcançado usando nanopartículas plasmônicas. Essas partículas podem guiar e controlar o movimento dos fótons, permitindo que eles façam curvas e continuem seu caminho sem perda significativa de energia ou conversão em elétrons. Isso torna possível criar dispositivos de computação óptica compactos e eficientes.

A maioria das partes de um chip óptico é semelhante a um chip de computador tradicional, com elétrons sendo usados ​​para processar e transformar informações. No entanto, as interconexões, usadas para transportar informações entre diferentes áreas do chip, foram significativamente alteradas.

Na computação óptica, a luz é usada em vez de elétrons para transportar informações. Isso ocorre porque a luz pode ser facilmente contida e tem a vantagem de menos perda de informações durante a viagem. Isso é especialmente útil em situações em que as interconexões podem aquecer, o que pode retardar o movimento dos elétrons. Ao usar a luz para o transporte de informações, é possível criar dispositivos de computação óptica mais rápidos e eficientes.

Os pesquisadores esperam que o uso da luz para o transporte de informações na computação óptica resulte no desenvolvimento de computadores em exascale. Os computadores Exascale são capazes de realizar bilhões de cálculos a cada segundo, o que é 1000 vezes mais rápido que os sistemas mais rápidos atuais. Ao usar a luz para comunicação, é possível atingir esse nível de velocidade de processamento, resultando em dispositivos de computação mais poderosos e eficientes.

As vantagens e desvantagens da computação óptica

As vantagens da computação óptica são:

• Densidade rápida, tamanho pequeno, aquecimento mínimo de junção, alta velocidade, dimensionamento dinâmico e reconfigurabilidade em redes/topologias menores/maiores, vasta capacidade de computação paralela e aplicativos de IA são apenas alguns dos principais benefícios dos computadores ópticos.
• As interconexões ópticas têm vários benefícios além da velocidade. Eles não são propensos a curtos-circuitos elétricos e são imunes a interferências eletromagnéticas.
• Eles fornecem transmissão de baixa perda e muita largura de banda, permitindo que vários canais se comuniquem simultaneamente.
• O processamento de dados em componentes ópticos é mais barato e mais simples do que o processamento de dados em componentes eletrônicos.
• Os fótons não interagem uns com os outros tão rapidamente quanto os elétrons, pois não são carregados. Isso fornece um benefício adicional porque o funcionamento full duplex permite que os feixes de luz passem um pelo outro.
• Comparados aos materiais magnéticos, os materiais ópticos são mais acessíveis e possuem maior densidade de armazenamento.

As desvantagens da computação óptica são:

• É difícil desenvolver cristais fotônicos.
• Devido à interação de vários sinais, a computação é um processo complexo.
• Os protótipos de computadores ópticos atuais são bastante volumosos em tamanho. 

Computação óptica x computação quântica

A computação óptica e a computação quântica são duas tecnologias diferentes que têm o potencial de revolucionar a maneira como pensamos sobre computação e processamento de dados.

A computação óptica usa luz para realizar cálculos e tarefas de processamento de dados, enquanto a computação quântica usa os princípios da mecânica quântica para realizar cálculos.

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Uma das principais diferenças entre as duas tecnologias é a velocidade com que elas são capazes de realizar cálculos. A computação óptica é capaz de operar em velocidades muito mais altas do que a computação eletrônica tradicional e também é mais rápida do que a computação quântica em alguns casos. Isso se deve ao fato de que os fótons, as partículas de luz usadas na computação óptica, podem ser facilmente manipulados e controlados para realizar uma ampla gama de tarefas.

Por outro lado, a computação quântica tem o potencial de resolver certos problemas que atualmente estão além das capacidades até mesmo dos computadores mais avançados. Isso se deve às propriedades únicas da mecânica quântica, que permitem a criação de estados altamente complexos e emaranhados que podem ser usados ​​para realizar cálculos.

No geral, tanto a computação óptica quanto a computação quântica têm o potencial de revolucionar o campo da computação e do processamento de dados. Embora tenham pontos fortes e limitações diferentes, ambas as tecnologias oferecem novas possibilidades empolgantes para resolver problemas complexos e aprimorar nossa compreensão do mundo.

empresas de computação óptica

Se você estiver interessado em aprender mais, reunimos a lista mais completa das melhores empresas de computação quântica do mercado!

Tecnologias Quânticas de Xanadu

negócios de tecnologia canadense Tecnologias Quânticas de Xanadu é um importante fornecedor de hardware de computação quântica fotônica.

O objetivo da Xanadu, empresa fundada em 2016 pelo CEO Christian Weedbrook, é criar computadores quânticos acessíveis e benéficos para todos. A empresa adotou uma estratégia full-stack para atingir esse objetivo e desenvolve hardware, software e se envolve em pesquisas de ponta com parceiros escolhidos.

Com a ajuda da biblioteca de aplicativos Strawberry Fields e do serviço Xanadu Quantum Cloud (XQC), empresas e acadêmicos agora podem começar a usar os computadores quânticos fotônicos de Xanadu.

Por meio da criação do PennyLane, um projeto de código aberto que cresceu e se tornou a principal biblioteca de software entre pesquisadores e desenvolvedores quânticos, a empresa também está desenvolvendo o campo do aprendizado de máquina quântica (QML).

PsiQuantum

O objectivo de PsiQuantum, um grupo de físicos quânticos, semicondutores, sistemas e engenheiros de software, arquitetos de sistemas e outros é criar o primeiro computador quântico útil usando a abordagem fotônica porque eles acham que oferece benefícios técnicos na escala necessária para correção de erros. Eles atraíram a atenção da mídia concentrando-se em um computador quântico de 1 milhão de qubits.

A PsiQuantum foi fundada em 2015 por Jeremy O'Brien, Terry Rudolph, Pete Shadbolt e Mark Thompson e está sediada no Vale do Silício, o epicentro da inovação tecnológica.

Computação ORCA

Com base em pesquisas do grupo de óptica quântica ultrarrápida e não linear do professor Ian Walmsley na Universidade de Oxford, ORCA foi fundada em Londres por cientistas e empresários qualificados. Ian Walmsley, Josh Nunn e Kris Kaczmarek no grupo perceberam que memórias quânticas de “curto prazo” podem sincronizar atividades fotônicas e tornar a computação quântica genuinamente escalável.

Ao alavancar a memória quântica ORCA para resolver esse problema de redundância, o ORCA libera o potencial da fotônica quântica sem as severas compensações dos métodos concorrentes.

A ORCA foi fundada em 2019 por Ian Walmsley, Richard Murray, Josh Nunn e Cristina Escoda e está sediada em Londres.

quandela

Uma nova empresa chamada quandela dedica-se à criação de dispositivos funcionais para pesquisa em fotônica, computadores quânticos e informação quântica.

Ele cria fontes de luz quântica de estado sólido distintas. Uma nova geração de computadores quânticos baseados na manipulação da luz é desenvolvida usando essas fontes.

Em 2017, Valerian Giesz, Pascale Senellart e Niccolo Somaschi criaram esta empresa de fotônica em Paris.

TundraSystems Global

Brian Antao fundou TundraSystems Global em Cardiff, País de Gales, para construir desde o início os numerosos desenvolvimentos de várias fontes acadêmicas, como a Universidade de Bristol, MIT, UK Quantum Technology Hubs, etc., em soluções computacionais em um regime totalmente óptico usando a base fundamental da mecânica quântica.

O objetivo final da organização é criar e distribuir soluções inovadoras de tecnologia quântica. Fazer uma biblioteca para Tundra Quantum Photonics Technology é o passo inicial no processo de desenvolvimento. Este é um elemento da estratégia do Tundra System, pois trabalha para criar o TundraProcessor, um microprocessador de fotônica quântica totalmente funcional. Um sistema HPC abrangente que envolve o TundraProcessor pode ser construído com a ajuda desta biblioteca, o que também deve facilitar a evolução do ecossistema de circuitos integrados fotônicos.

Conclusão

Em conclusão, vemos desenvolvimentos empolgantes no uso de lasers e luz na computação. À medida que a tecnologia óptica continua avançando, podemos esperar vê-la sendo usada em uma ampla gama de aplicações, desde processamento paralelo e redes de área de armazenamento até redes ópticas de dados e dispositivos de armazenamento biométrico.

Os processadores dos computadores atuais já contêm detectores de luz e minúsculos lasers que facilitam a transmissão de dados por meio de fibras ópticas. Algumas empresas estão até desenvolvendo processadores ópticos que usam interruptores ópticos e luz laser para realizar cálculos. A Intel, uma das principais proponentes dessa tecnologia, está criando um link fotônico de silício integrado que pode transmitir 50 gigabytes por segundo de informações ininterruptas.

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Os futuros computadores podem vir sem telas, com informações sendo apresentadas por meio de hologramas no ar acima do teclado. Esta tecnologia está sendo possível através da colaboração de pesquisadores e especialistas industriais. Além disso, prevê-se que o uso prático da tecnologia óptica na forma de redes ópticas cresça a cada ano que passa.

Com seu potencial para computação eficiente e de alta velocidade, a tecnologia óptica está prestes a revolucionar a maneira como pensamos sobre computação e processamento de dados.

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