Creșterea fotonicii integrate: cum schimbă lumina fața computerului?

Calculul optic este o tehnologie revoluționară care are potențialul de a schimba modul în care gândim despre calcul. Spre deosebire de calculatoarele tradiționale, care folosesc semnale electrice pentru a efectua calcule, calculul optic folosește lumina. Acest lucru permite o frecvență mult mai mare de procesare a datelor, făcând posibilă efectuarea de calcule mari și complexe la viteze incredibil de rapide.

Una dintre tehnologiile cheie din spatele calculului optic este calculul fotonic, care folosește fotoni pentru a efectua calcule în loc de electroni. Acest lucru permite o abordare mai eficientă și mai sintetică a calculului, deoarece fotonii pot fi ușor manipulați și controlați pentru a îndeplini o gamă largă de sarcini.

O altă tehnologie cheie în domeniul calculului optic este fotonica integrată. Aceasta se referă la integrarea componentelor fotonice într-un singur dispozitiv compact, permițând o abordare mai eficientă și mai scalabilă a calculului.

În general, utilizarea acestor tehnologii are potențialul de a revoluționa modul în care gândim despre calcul și prelucrarea datelor. Cu ajutorul calculelor optice, putem rezolva probleme care depășesc în prezent capacitățile chiar și ale celor mai avansate computere și facem acest lucru la viteze de neimaginat cu tehnologiile actuale.

Cercetătorii au descoperit o modalitate de a rula porți logice bazate pe lumină, care sunt de un milion de ori mai rapide decât porțile logice electronice convenționale găsite în procesoarele tradiționale de computer. Aceste porți logice, care sunt alcătuite din funcții booleene și rulează rutine binare, sunt de obicei rulate electronic. Cu toate acestea, noua metodă folosește lumina pentru a îndeplini aceleași funcții, ceea ce duce la viteze de procesare semnificativ mai mari.

Acest lucru a fost descoperit într-un studiu realizat la Universitatea AALTO și publicat în revista Science Advances.

Ce este calculul optic?

Un computer optic, cunoscut și sub numele de computer fotonic, este un dispozitiv care efectuează calcule digitale folosind fotoni în lumină vizibilă sau fascicule infraroșii (IR), spre deosebire de curentul electric. Viteza unui curent electric este de doar 10% din viteza luminii. Unul dintre motivele care au condus la dezvoltarea fibrei optice a fost restricția privind rata la care datele pot fi transmise pe distanțe lungi. Un computer care poate face procese de zece sau mai multe ori mai rapid decât un computer electronic tradițional ar putea fi creat într-o zi prin implementarea unora dintre beneficiile rețelelor vizibile și/sau IR la dimensiunea dispozitivului și a componentei.

Spre deosebire de curenții electrici, fasciculele vizibile și infraroșii curg una peste alta fără a interacționa. Chiar și atunci când sunt limitate la două dimensiuni, multe (sau multe) raze laser pot fi strălucite astfel încât căile lor se încrucișează, dar nu există interferențe între fascicule. Cablarea în trei dimensiuni este importantă deoarece curenții electrici trebuie direcționați unul în jurul celuilalt. Ca rezultat, un computer optic poate fi, de asemenea, mai mic, pe lângă faptul că este semnificativ mai rapid decât unul electronic.

Deși unii ingineri prevăd că calculul optic va deveni larg răspândit în viitor, majoritatea experților sunt de acord că schimbările vor avea loc treptat în nișe specifice. Există câteva circuite optice integrate care au fost dezvoltate și produse. (Circuite optice au fost folosite în construcția a cel puțin unui computer cu funcții complete, deși oarecum mare.) Prin împărțirea imaginii în voxeli, un videoclip tridimensional, cu mișcare completă poate fi difuzat printr-o rețea de fibre. Chiar dacă impulsurile de date folosite pentru a controla unele dispozitive optice sunt lumină vizibilă sau unde infraroșii, curenții electronici le pot opera totuși.

Comunicațiile digitale, unde transferul de date prin fibră optică este deja predominant, este locul în care tehnologia optică a avansat cel mai mult. Obiectivul final este așa-numita rețea fotonică, unde fiecare sursă și destinație sunt conectate doar prin fotoni vizibili și infraroșii. Imprimantele laser, fotocopiatoarele, scanerele și unitățile CD-ROM și rudele acestora folosesc toate tehnologia optică. Toate aceste dispozitive, totuși, se bazează într-o oarecare măsură pe circuite și piese electronice obișnuite; niciuna dintre ele nu este în întregime optică.

Cum funcționează calculul optic?

Calculul optic este similar cu calculul tradițional prin faptul că folosește porți logice și rutine binare pentru a efectua calcule. Cu toate acestea, diferă în modul în care sunt efectuate aceste calcule. În calculul optic, fotonii sunt generați de LED-uri, lasere și alte dispozitive și sunt utilizați pentru a codifica datele într-un mod similar cu electronii în calculul tradițional. Acest lucru permite un calcul mult mai rapid și mai eficient, deoarece fotonii pot fi manipulați și controlați cu ușurință pentru a îndeplini o gamă largă de sarcini.

---

IIoT și edge computing câștigă teren în multe industrii

---

Cu scopul final de a dezvolta un computer optic, există studii care se concentrează pe proiectarea și implementarea tranzistoarelor optice. Un fascicul de lumină poate fi blocat eficient de un ecran polarizant care se rotește la 90 de grade. Componentele dielectrice care au capacitatea de a funcționa ca polarizatori sunt, de asemenea, folosite pentru a crea tranzistoare optice. În ciuda unor dificultăți tehnice, porțile logice optice sunt fundamental posibile. Acestea ar consta dintr-un singur control și numeroase fascicule care ar oferi rezultatele logice potrivite.

Un avantaj major al calculatoarelor electronice tradiționale este că canalele de siliciu și firele de cupru pot fi folosite pentru a ghida și controla mișcarea electronilor. Acest lucru permite un calcul eficient și fiabil.

În calculul optic, un efect similar poate fi obținut folosind nanoparticule plasmonice. Aceste particule pot ghida și controla mișcarea fotonilor, permițându-le să întoarcă colțurile și să-și continue drumul fără pierderi semnificative de putere sau conversie în electroni. Acest lucru face posibilă crearea de dispozitive de calcul optice compacte și eficiente.

Cele mai multe părți ale unui cip optic sunt similare cu un cip de computer tradițional, electronii fiind utilizați pentru procesarea și transformarea informațiilor. Cu toate acestea, interconexiunile, care sunt folosite pentru transferul de informații între diferite zone ale cipului, au fost modificate semnificativ.

În calculul optic, lumina este folosită în loc de electroni pentru transferul informațiilor. Acest lucru se datorează faptului că lumina poate fi conținută cu ușurință și are avantajul unei pierderi mai mici de informații în timpul călătoriei. Acest lucru este util în special în situațiile în care interconexiunile se pot încălzi, ceea ce poate încetini mișcarea electronilor. Prin utilizarea luminii pentru transferul de informații, este posibil să se creeze dispozitive de calcul optice mai rapide și mai eficiente.

Cercetătorii speră că utilizarea luminii pentru transferul de informații în calculul optic va avea ca rezultat dezvoltarea calculatoarelor exascale. Calculatoarele Exascale sunt capabile să efectueze miliarde de calcule în fiecare secundă, ceea ce este de 1000 de ori mai rapid decât cele mai rapide sisteme actuale. Prin utilizarea luminii pentru comunicare, este posibilă atingerea acestui nivel de viteză de procesare, rezultând dispozitive de calcul mai puternice și mai eficiente.

Avantajele și dezavantajele calculului optic

Avantajele calculului optic sunt:

• Densitatea rapidă, dimensiunile mici, încălzirea minimă a joncțiunilor, viteza mare, scalarea dinamică și reconfigurarea în rețele/topologii mai mici/mai mari, capacitate vastă de calcul paralel și aplicațiile AI sunt doar câteva dintre beneficiile principale ale computerelor optice.
• Interconexiunile optice au diverse beneficii pe lângă viteza. Ele nu sunt predispuse la scurtcircuite electrice și sunt imune la interferențe electromagnetice.
• Acestea oferă transmisie cu pierderi reduse și o mulțime de lățime de bandă, permițând mai multor canale să comunice simultan.
• Procesarea datelor pe componente optice este mai puțin costisitoare și mai simplă decât prelucrarea datelor pe componente electronice.
• Fotonii nu interacționează unii cu alții la fel de repede ca electronii, deoarece nu sunt încărcați. Acest lucru oferă un alt beneficiu, deoarece funcționarea full duplex permite fasciculelor de lumină să treacă unul peste altul.
• În comparație cu materialele magnetice, materialele optice sunt mai accesibile și au o densitate de stocare mai mare.

Dezavantajele calculului optic sunt:

• Este dificil să se dezvolte cristale fotonice.
• Datorită interacțiunii mai multor semnale, calculul este un proces complex.
• Prototipurile actuale ale computerelor optice au dimensiuni destul de voluminoase. 

Calcul optic vs calculul cuantic

Calculul optic și calculul cuantic sunt două tehnologii diferite care au potențialul de a revoluționa modul în care gândim despre calcul și procesarea datelor.

Calculul optic folosește lumina pentru a efectua calcule și sarcini de procesare a datelor, în timp ce calculul cuantic utilizează principiile mecanicii cuantice pentru a efectua calcule.

---

Calculatoarele Qudit deschid posibilități infinite prin depășirea sistemului binar

---

Una dintre diferențele cheie dintre cele două tehnologii este viteza cu care sunt capabile să efectueze calcule. Calculul optic este capabil să funcționeze la viteze mult mai mari decât calculul electronic tradițional și este, de asemenea, mai rapid decât calculul cuantic în unele cazuri. Acest lucru se datorează faptului că fotonii, particulele de lumină utilizate în calculul optic, pot fi ușor manipulați și controlați pentru a îndeplini o gamă largă de sarcini.

Pe de altă parte, calculul cuantic are potențialul de a rezolva anumite probleme care în prezent depășesc capacitățile chiar și ale celor mai avansate computere. Acest lucru se datorează proprietăților unice ale mecanicii cuantice, care permit crearea unor stări extrem de complexe și încurcate care pot fi folosite pentru a efectua calcule.

În general, atât calculul optic, cât și cel cuantic au potențialul de a revoluționa domeniul calculului și al prelucrării datelor. Deși au puncte forte și limitări diferite, ambele tehnologii oferă noi posibilități interesante de rezolvare a problemelor complexe și de a avansa înțelegerea noastră asupra lumii.

Companii de calcule optice

Dacă sunteți interesat să aflați mai multe, am întocmit cea mai completă listă a celor mai bune companii de calcul cuantic de acolo!

Xanadu Quantum Technologies

Afaceri cu tehnologie canadiană Xanadu Quantum Technologies este un furnizor major de hardware de calcul cuantic fotonic.

Scopul Xanadu, o companie înființată în 2016 de CEO-ul Christian Weedbrook, este de a crea computere cuantice care să fie accesibile și benefice pentru toată lumea. Compania a adoptat o strategie completă pentru a atinge acest obiectiv și dezvoltă hardware, software și se angajează în cercetări de ultimă oră cu parteneri aleși.

Cu ajutorul bibliotecii de aplicații Strawberry Fields și al serviciului Xanadu Quantum Cloud (XQC), companiile și cadrele universitare pot începe acum să folosească computerele cuantice fotonice ale Xanadu.

Prin crearea PennyLane, un proiect open-source care a devenit o bibliotecă de software de prim rang printre cercetătorii și dezvoltatorii cuantici, afacerea dezvoltă, de asemenea, domeniul învățării automate cuantice (QML).

PsiQuantum

Scopul PsiQuantum, un grup de fizicieni cuantici, semiconductori, ingineri de sisteme și software, arhitecți de sisteme și alții urmează să creeze primul computer cuantic util folosind abordarea fotonică, deoarece ei cred că oferă beneficii tehnice la scara necesară pentru corectarea erorilor. Ei au generat atenția presei concentrându-se pe un computer cuantic de 1 milion de qubit.

PsiQuantum a fost înființată în 2015 de Jeremy O'Brien, Terry Rudolph, Pete Shadbolt și Mark Thompson și are sediul în Silicon Valley, epicentrul inovației tehnologice.

ORCA Computing

Pe baza cercetărilor din cadrul Grupului de optică cuantică ultrarapidă și neliniară a profesorului Ian Walmsley de la Universitatea din Oxford, ORCA a fost fondată la Londra de oameni de știință pricepuți și oameni de afaceri. Ian Walmsley, Josh Nunn și Kris Kaczmarek din grup și-au dat seama că amintirile cuantice „pe termen scurt” ar putea sincroniza activitățile fotonice și ar putea face calculul cuantic cu adevărat scalabil.

Prin folosirea memoriei cuantice ORCA pentru a aborda această problemă de redundanță, ORCA deblochează potențialul fotonicii cuantice fără compromisurile severe ale metodelor concurente.

ORCA a fost înființată în 2019 de Ian Walmsley, Richard Murray, Josh Nunn și Cristina Escoda și are sediul la Londra.

Quandela

O companie noua a sunat Quandela este dedicat creării de dispozitive funcționale pentru cercetarea în fotonică, computere cuantice și informații cuantice.

Creează surse de lumină cuantică cu stare solidă distinctive. O nouă generație de computere cuantice bazate pe manipularea luminii este dezvoltată folosind aceste surse.

În 2017, Valerian Giesz, Pascale Senellart și Niccolo Somaschi au creat această firmă de fotonică la Paris.

TundraSystems Global

Brian Antao a fondat TundraSystems Global în Cardiff, Țara Galilor, pentru a construi de la bază numeroasele dezvoltări din diverse surse academice, cum ar fi Universitatea din Bristol, MIT, UK Quantum Technology Hubs etc., în soluții computaționale într-un regim integral optic folosind fundația fundamentală a mecanicii cuantice.

Scopul final al organizației este să creeze și să distribuie soluții inovatoare de tehnologie cuantică. Realizarea unei biblioteci pentru Tehnologia Tundra Quantum Photonics este pasul inițial în procesul de dezvoltare. Acesta este un element al strategiei Tundra System, deoarece lucrează pentru a crea TundraProcessor, un microprocesor fotonic cuantic complet funcțional. Un sistem HPC cuprinzător care înconjoară TundraProcessor poate fi construit cu ajutorul acestei biblioteci, care ar trebui să faciliteze, de asemenea, evoluția ecosistemului de circuite integrate fotonice.

Concluzie

În concluzie, vedem evoluții interesante în utilizarea laserelor și a luminii în calcul. Pe măsură ce tehnologia optică continuă să avanseze, ne putem aștepta să o vedem utilizată într-o gamă largă de aplicații, de la procesare paralelă și rețele de stocare la rețele optice de date și dispozitive de stocare biometrică.

Procesoarele computerelor de astăzi conțin acum detectoare de lumină și lasere minuscule care facilitează transmiterea datelor prin fibre optice. Unele companii dezvoltă chiar procesoare optice care folosesc comutatoare optice și lumină laser pentru a efectua calcule. Intel, unul dintre cei mai importanți susținători ai acestei tehnologii, creează o legătură fotonică de siliciu integrată care poate transmite 50 de gigaocteți pe secundă de informații neîntrerupte.

---

Un nou model neurocomputațional ar putea avansa în cercetarea inteligenței artificiale neuronale

---

Viitoarele computere ar putea veni fără ecrane, informațiile fiind prezentate prin holograme în aer deasupra tastaturii. Această tehnologie este posibilă prin colaborarea cercetătorilor și experților industriali. În plus, utilizarea practică a tehnologiei optice sub formă de rețele optice este prevăzută să crească în fiecare an care trece.

Cu potențialul său de calcul de mare viteză și eficient, tehnologia optică este gata să revoluționeze modul în care gândim despre calcul și procesarea datelor.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/