Рост интегрированной фотоники: как свет меняет лицо вычислений?

Оптические вычисления — это революционная технология, которая может изменить наши представления о вычислениях. В отличие от традиционных компьютеров, которые используют электрические сигналы для выполнения вычислений, оптические вычисления используют свет. Это обеспечивает гораздо более высокую частоту обработки данных, что позволяет выполнять большие и сложные вычисления с невероятно высокой скоростью.

Одной из ключевых технологий, лежащих в основе оптических вычислений, являются фотонные вычисления, в которых для выполнения вычислений используются фотоны вместо электронов. Это позволяет использовать более эффективный и синтетический подход к вычислениям, поскольку фотонами можно легко манипулировать и управлять ими для выполнения широкого круга задач.

Другой ключевой технологией в области оптических вычислений является интегрированная фотоника. Это относится к интеграции фотонных компонентов в единое компактное устройство, позволяющее использовать более эффективный и масштабируемый подход к вычислениям.

В целом, использование этих технологий может революционизировать наши представления о вычислениях и обработке данных. Благодаря оптическим вычислениям мы можем решать проблемы, которые в настоящее время не под силу даже самым совершенным компьютерам, и делать это со скоростью, невообразимой для современных технологий.

Исследователи открыли способ запуска логических вентилей на основе света, которые в миллион раз быстрее, чем обычные электронные логические вентили, используемые в традиционных компьютерных процессорах. Эти логические элементы, состоящие из логических функций и запускающие двоичные процедуры, обычно управляются электронным способом. Однако новый метод использует свет для выполнения тех же функций, что приводит к значительно более высокой скорости обработки.

Это было обнаружено в исследовании, проведенном в университете AALTO. опубликовано в журнале Science Advances.

Что такое оптические вычисления?

Оптический компьютер, также известный как фотонный компьютер, представляет собой устройство, которое выполняет цифровые вычисления с использованием фотонов в видимом свете или инфракрасных (ИК) лучей, а не электрического тока. Скорость электрического тока составляет всего 10% от скорости света. Одной из причин, приведших к развитию оптического волокна, было ограничение скорости, с которой данные могут передаваться на большие расстояния. Компьютер, который может выполнять процессы в десять или более раз быстрее, чем традиционный электронный компьютер, однажды может быть создан путем реализации некоторых преимуществ видимых и/или инфракрасных сетей при размере устройства и компонента.

В отличие от электрических токов видимые и инфракрасные лучи пересекают друг друга, не взаимодействуя. Даже когда они ограничены по существу двумя измерениями, многие (или многие) лазерные лучи могут излучаться так, что их пути пересекаются, но между лучами нет интерференции. Проводка в трех измерениях важна, потому что электрические токи должны быть направлены друг вокруг друга. В результате оптический компьютер также может быть меньше, а также значительно быстрее, чем электронный.

Хотя некоторые инженеры предсказывают широкое распространение оптических вычислений в будущем, большинство экспертов сходятся во мнении, что изменения в конкретных нишах будут происходить постепенно. Были разработаны и произведены некоторые оптические интегральные схемы. (Оптические схемы использовались при создании по крайней мере одного полнофункционального, хотя и несколько большого компьютера.) Разделив изображение на воксели, трехмерное видео с полным движением можно транслировать по сети волокон. Несмотря на то, что импульсы данных, используемые для управления некоторыми оптическими устройствами, представляют собой видимый свет или инфракрасные волны, электронные токи, тем не менее, могут управлять ими.

Цифровые коммуникации, в которых уже преобладает передача данных по оптоволоконному кабелю, наиболее развиты оптические технологии. Конечной целью является так называемая фотонная сеть, в которой каждый источник и пункт назначения связаны только видимыми и инфракрасными фотонами. Лазерные принтеры, копировальные аппараты, сканеры, приводы компакт-дисков и их аналоги используют оптическую технологию. Однако все эти устройства в некоторой степени основаны на обычных электронных схемах и деталях; ни один из них не является полностью оптическим.

Как работают оптические вычисления?

Оптические вычисления аналогичны традиционным вычислениям тем, что для выполнения вычислений в них используются логические вентили и двоичные процедуры. Однако он отличается тем, как выполняются эти расчеты. В оптических вычислениях фотоны генерируются светодиодами, лазерами и другими устройствами и используются для кодирования данных аналогично электронам в традиционных вычислениях. Это позволяет выполнять гораздо более быстрые и эффективные вычисления, поскольку фотонами можно легко манипулировать и управлять ими для выполнения широкого круга задач.

---

IIoT и периферийные вычисления набирают популярность во многих отраслях

---

Имея конечной целью разработку оптического компьютера, проводятся исследования, посвященные разработке и реализации оптических транзисторов. Луч света может быть эффективно заблокирован поляризационным экраном, который поворачивается на 90 градусов. Диэлектрические компоненты, способные работать как поляризаторы, также используются для создания оптических транзисторов. Несмотря на некоторые технические трудности, оптические логические элементы принципиально возможны. Они будут состоять из одного элемента управления и множества лучей, которые будут давать правильные логические результаты.

Одним из основных преимуществ традиционных электронных компьютеров является то, что кремниевые каналы и медные провода могут использоваться для направления и контроля движения электронов. Это позволяет проводить эффективные и надежные вычисления.

В оптических вычислениях аналогичный эффект может быть достигнут с использованием плазмонных наночастиц. Эти частицы могут направлять и контролировать движение фотонов, позволяя им поворачивать за угол и продолжать свой путь без значительной потери мощности или преобразования в электроны. Это позволяет создавать компактные и эффективные оптические вычислительные устройства.

Большинство частей оптического чипа аналогичны традиционному компьютерному чипу, где электроны используются для обработки и преобразования информации. Однако межсоединения, которые используются для передачи информации между различными областями чипа, были значительно изменены.

В оптических вычислениях для передачи информации вместо электронов используется свет. Это связано с тем, что свет можно легко сдержать, и его преимущество заключается в меньшей потере информации во время путешествия. Это особенно полезно в ситуациях, когда межсоединения могут нагреваться, что может замедлить движение электронов. Используя свет для передачи информации, можно создавать более быстрые и эффективные оптические вычислительные устройства.

Исследователи надеются, что использование света для передачи информации в оптических вычислениях приведет к созданию экзафлопсных компьютеров. Эксафлопсные компьютеры способны выполнять миллиарды вычислений каждую секунду, что в 1000 раз быстрее, чем самые быстрые современные системы. Используя свет для связи, можно достичь такого уровня скорости обработки, что приведет к созданию более мощных и эффективных вычислительных устройств.

Преимущества и недостатки оптических вычислений

Преимущества оптических вычислений:

• Быстрая плотность, малый размер, минимальный нагрев перехода, высокая скорость, динамическое масштабирование и реконфигурация в сети/топологии меньшего и большего размера, широкие возможности параллельных вычислений и приложения ИИ — вот лишь некоторые из основных преимуществ оптических компьютеров.
• Оптические межсоединения имеют различные преимущества помимо скорости. Они не подвержены электрическим замыканиям и невосприимчивы к электромагнитным помехам.
• Они обеспечивают передачу с низкими потерями и большую пропускную способность, позволяя нескольким каналам обмениваться данными одновременно.
• Обработка данных на оптических компонентах дешевле и проще, чем обработка данных на электронных компонентах.
• Фотоны не взаимодействуют друг с другом так быстро, как электроны, поскольку они не заряжены. Это дает дополнительное преимущество, поскольку работа в режиме полного дуплекса позволяет световым лучам пересекаться друг с другом.
• По сравнению с магнитными материалами оптические материалы более доступны и имеют более высокую плотность хранения.

Недостатками оптических вычислений являются:

• Сложно разработать фотонные кристаллы.
• Из-за взаимодействия нескольких сигналов вычисления представляют собой сложный процесс.
• Современные прототипы оптических компьютеров довольно громоздки. 

Оптические вычисления против квантовых вычислений

Оптические вычисления и квантовые вычисления — это две разные технологии, которые могут революционизировать наши представления о вычислениях и обработке данных.

Оптические вычисления используют свет для выполнения вычислений и задач обработки данных, в то время как квантовые вычисления используют принципы квантовой механики для выполнения вычислений.

---

Компьютеры Qudit открывают безграничные возможности, превосходя двоичную систему

---

Одним из ключевых различий между двумя технологиями является скорость, с которой они способны выполнять вычисления. Оптические вычисления могут работать на гораздо более высоких скоростях, чем традиционные электронные вычисления, а также в некоторых случаях быстрее, чем квантовые вычисления. Это связано с тем, что фотонами, частицами света, используемыми в оптических вычислениях, можно легко манипулировать и управлять ими для выполнения широкого круга задач.

С другой стороны, у квантовых вычислений есть потенциал для решения некоторых проблем, которые в настоящее время находятся за пределами возможностей даже самых передовых компьютеров. Это связано с уникальными свойствами квантовой механики, которые позволяют создавать очень сложные и запутанные состояния, которые можно использовать для выполнения вычислений.

В целом, как оптические вычисления, так и квантовые вычисления могут произвести революцию в области вычислений и обработки данных. Несмотря на разные сильные стороны и ограничения, обе технологии предлагают захватывающие новые возможности для решения сложных проблем и расширения нашего понимания мира.

Оптические вычислительные компании

Если вам интересно узнать больше, мы составили самый полный список лучших компаний, занимающихся квантовыми вычислениями!

Ксанаду Квантовые технологии

Канадский технологический бизнес Ксанаду Квантовые технологии является крупным поставщиком оборудования для фотонных квантовых вычислений.

Целью Xanadu, компании, основанной в 2016 году генеральным директором Кристианом Видбруком, является создание квантовых компьютеров, доступных и выгодных для всех. Компания приняла комплексную стратегию для достижения этой цели, разрабатывает аппаратное и программное обеспечение и проводит передовые исследования с выбранными партнерами.

С помощью библиотеки приложений Strawberry Fields и службы Xanadu Quantum Cloud (XQC) предприятия и ученые теперь могут начать использовать фотонные квантовые компьютеры Xanadu.

Благодаря созданию PennyLane, проекта с открытым исходным кодом, который превратился в ведущую библиотеку программного обеспечения среди квантовых исследователей и разработчиков, бизнес также развивает область квантового машинного обучения (QML).

ПсиКвант

Цель ПсиКвант, группа квантовых физиков, инженеров-полупроводников, инженеров по системам и программному обеспечению, системных архитекторов и других должна создать первый полезный квантовый компьютер с использованием фотонного подхода, поскольку они считают, что он предлагает технические преимущества в масштабе, необходимом для исправления ошибок. Они привлекли внимание средств массовой информации, сосредоточившись на квантовом компьютере на 1 миллион кубитов.

Компания PsiQuantum была основана в 2015 году Джереми О'Брайеном, Терри Рудольфом, Питом Шэдболтом и Марком Томпсоном, ее штаб-квартира находится в Силиконовой долине, эпицентре технологических инноваций.

ОРКА Вычисления

Основываясь на исследованиях группы ультрабыстрой и нелинейной квантовой оптики профессора Яна Уолмсли в Оксфордском университете, ORCA была основана в Лондоне опытными учеными и бизнесменами. Ян Уолмсли, Джош Нанн и Крис Качмарек в группе поняли, что «кратковременная» квантовая память может синхронизировать фотонную активность и сделать квантовые вычисления по-настоящему масштабируемыми.

Используя квантовую память ORCA для решения этой проблемы избыточности, ORCA раскрывает потенциал квантовой фотоники без серьезных компромиссов конкурирующих методов.

ORCA была основана в 2019 году Яном Уолмсли, Ричардом Мюрреем, Джошем Нанном и Кристиной Эскода и базируется в Лондоне.

Квандела

Новая компания под названием Квандела занимается созданием функциональных устройств для исследований в области фотоники, квантовых компьютеров и квантовой информации.

Он создает отличительные твердотельные квантовые источники света. С использованием этих источников разрабатывается новое поколение квантовых компьютеров, основанных на манипулировании светом.

В 2017 году Валериан Гиз, Паскаль Сенеллар и Никколо Сомаски создали эту фирму фотоники в Париже.

ТундраСистемс Глобал

Брайан Антао основал ТундраСистемс Глобал в Кардиффе, Уэльс, для создания с нуля многочисленных разработок из различных академических источников, таких как Бристольский университет, Массачусетский технологический институт, Центры квантовых технологий Великобритании и т. д., в вычислительных решениях в полностью оптическом режиме с использованием фундаментальной основы квантовой механики.

Конечная цель организации — создавать и распространять инновационные решения в области квантовых технологий. Создание библиотеки для Tundra Quantum Photonics Technology — это начальный шаг в процессе разработки. Это элемент стратегии Tundra System, поскольку она работает над созданием TundraProcessor, полнофункционального микропроцессора квантовой фотоники. Комплексная система высокопроизводительных вычислений, которая окружает TundraProcessor, может быть построена с помощью этой библиотеки, что также должно облегчить развитие экосистемы фотонных интегральных схем.

Заключение

В заключение мы видим захватывающие разработки в области использования лазеров и света в вычислениях. Поскольку оптические технологии продолжают развиваться, мы можем ожидать, что они будут использоваться в широком спектре приложений, от сетей параллельной обработки и хранения данных до оптических сетей передачи данных и устройств хранения биометрических данных.

Процессоры современных компьютеров теперь содержат детекторы света и крошечные лазеры, облегчающие передачу данных по оптическим волокнам. Некоторые компании даже разрабатывают оптические процессоры, которые используют оптические переключатели и лазерный свет для выполнения вычислений. Intel, один из ведущих сторонников этой технологии, создает встроенную кремниевую фотонику, которая может непрерывно передавать 50 гигабайт в секунду информации.

---

Новая нейровычислительная модель может продвинуть исследования нейронного искусственного интеллекта

---

Будущие компьютеры могут появиться без экранов, а информация будет представляться через голограммы в воздухе над клавиатурой. Эта технология стала возможной благодаря сотрудничеству исследователей и промышленных экспертов. Кроме того, прогнозируется, что практическое использование оптических технологий в виде оптических сетей будет расти с каждым годом.

Обладая потенциалом для высокоскоростных и эффективных вычислений, оптические технологии способны произвести революцию в наших представлениях о вычислениях и обработке данных.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/