Vzpon integrirane fotonike: kako svetloba spreminja podobo računalništva?

Optično računalništvo je revolucionarna tehnologija, ki lahko spremeni način razmišljanja o računanju. Za razliko od tradicionalnih računalnikov, ki za izračune uporabljajo električne signale, optično računalništvo uporablja svetlobo. To omogoča veliko večjo frekvenco obdelave podatkov, kar omogoča izvajanje velikih in zapletenih izračunov pri neverjetno visokih hitrostih.

Ena od ključnih tehnologij za optično računalništvo je fotonsko računalništvo, ki uporablja fotone za izvajanje izračunov namesto elektronov. To omogoča učinkovitejši in sintetični pristop k računanju, saj je mogoče fotone enostavno manipulirati in nadzorovati za izvajanje širokega spektra nalog.

Druga ključna tehnologija na področju optičnega računalništva je integrirana fotonika. To se nanaša na integracijo fotonskih komponent v eno samo kompaktno napravo, ki omogoča učinkovitejši in razširljiv pristop k računanju.

Na splošno lahko uporaba teh tehnologij spremeni način razmišljanja o računanju in obdelavi podatkov. Z optičnim računalništvom lahko rešujemo probleme, ki trenutno presegajo zmožnosti tudi najnaprednejših računalnikov in to s hitrostmi, ki si jih z današnjimi tehnologijami ne predstavljamo.

Raziskovalci so odkrili način za zagon svetlobnih logičnih vrat, ki so milijonkrat hitrejša od običajnih elektronskih logičnih vrat v tradicionalnih računalniških procesorjih. Ta logična vrata, ki so sestavljena iz logičnih funkcij in izvajajo binarne rutine, se običajno izvajajo elektronsko. Vendar pa nova metoda uporablja svetlobo za izvajanje istih funkcij, kar vodi do znatno višjih hitrosti obdelave.

To je bilo ugotovljeno v študiji, izvedeni na univerzi AALTO in objavljeno v reviji Science Advances.

Kaj je optično računalništvo?

Optični računalnik, znan tudi kot fotonski računalnik, je naprava, ki izvaja digitalne izračune z uporabo fotonov v vidni svetlobi ali infrardečih (IR) žarkov v nasprotju z električnim tokom. Hitrost električnega toka je le 10% hitrosti svetlobe. Eden od razlogov za razvoj optičnih vlaken je bila omejitev hitrosti prenosa podatkov na velike razdalje. Računalnik, ki lahko izvaja procese deset ali večkrat hitreje kot tradicionalni elektronski računalnik, bi lahko nekega dne ustvarili z uporabo nekaterih prednosti vidnih in/ali IR omrežij pri velikosti naprave in komponent.

V nasprotju z električnim tokom vidni in infrardeči žarki tečejo drug čez drugega, ne da bi medsebojno delovali. Tudi ko so v bistvu omejeni na dve dimenziji, lahko veliko (ali veliko) laserskih žarkov sveti tako, da se njihove poti križajo, vendar med žarki ni motenj. Ožičenje v treh dimenzijah je pomembno, ker morajo biti električni tokovi usmerjeni drug okoli drugega. Posledično je lahko optični računalnik tudi manjši, poleg tega pa je bistveno hitrejši od elektronskega.

Čeprav nekateri inženirji napovedujejo, da bo optično računalništvo v prihodnosti postalo razširjeno, se večina strokovnjakov strinja, da se bodo spremembe v določenih nišah dogajale postopoma. Obstaja nekaj optičnih integriranih vezij, ki so bila razvita in proizvedena. (Optična vezja so bila uporabljena pri izdelavi vsaj enega polnofunkcionalnega, čeprav nekoliko velikega računalnika.) Z razdelitvijo slike na voksele se lahko tridimenzionalni videoposnetek s polnim gibanjem oddaja prek omrežja vlaken. Čeprav so podatkovni impulzi, ki se uporabljajo za krmiljenje nekaterih optičnih naprav, vidna svetloba ali infrardeči valovi, jih lahko elektronski tokovi vseeno upravljajo.

Optična tehnologija je najbolj napredovala v digitalnih komunikacijah, kjer že prevladuje optični prenos podatkov. Končni cilj je tako imenovano fotonsko omrežje, kjer sta vsak izvor in cilj povezana le z vidnimi in infrardečimi fotoni. Laserski tiskalniki, fotokopirni stroji, skenerji in pogoni CD-ROM ter njihovi sorodniki uporabljajo optično tehnologijo. Vse te naprave pa se do neke mere zanašajo na običajna elektronska vezja in dele; nobeden od njih ni povsem optičen.

Kako deluje optično računalništvo?

Optično računalništvo je podobno tradicionalnemu računalništvu, saj za izvajanje izračunov uporablja logična vrata in binarne rutine. Vendar se razlikuje po načinu izvajanja teh izračunov. V optičnem računalništvu fotone ustvarjajo LED, laserji in druge naprave ter se uporabljajo za kodiranje podatkov na podoben način kot elektroni v tradicionalnem računalništvu. To omogoča veliko hitrejše in učinkovitejše računanje, saj je mogoče fotone enostavno manipulirati in nadzorovati za izvajanje širokega spektra nalog.

---

IIoT in robno računalništvo postajata vedno bolj priljubljena v številnih panogah

---

S končnim ciljem razvoja optičnega računalnika obstajajo študije, ki se osredotočajo na načrtovanje in izvedbo optičnih tranzistorjev. Svetlobni žarek lahko učinkovito blokira polarizacijski zaslon, ki se vrti za 90 stopinj. Dielektrične komponente, ki lahko delujejo kot polarizatorji, se uporabljajo tudi za izdelavo optičnih tranzistorjev. Kljub nekaterim tehničnim težavam so optična logična vrata načeloma mogoča. Sestavljeni bi bili iz ene same kontrole in številnih žarkov, ki bi dajali prave logične rezultate.

Ena glavnih prednosti tradicionalnih elektronskih računalnikov je, da je mogoče uporabiti silicijeve kanale in bakrene žice za vodenje in nadzor gibanja elektronov. To omogoča učinkovito in zanesljivo računanje.

V optičnem računalništvu je podoben učinek mogoče doseči z uporabo plazmoničnih nanodelcev. Ti delci lahko vodijo in nadzorujejo gibanje fotonov, kar jim omogoča, da zavijejo v ovinek in nadaljujejo svojo pot brez večje izgube moči ali pretvorbe v elektrone. To omogoča ustvarjanje kompaktnih in učinkovitih optičnih računalniških naprav.

Večina delov optičnega čipa je podobnih tradicionalnim računalniškim čipom, pri čemer se elektroni uporabljajo za obdelavo in pretvorbo informacij. Vendar so bile medsebojne povezave, ki se uporabljajo za prenos informacij med različnimi področji čipa, bistveno spremenjene.

V optičnem računalništvu se namesto elektronov za prenos informacij uporablja svetloba. To je zato, ker je svetlobo enostavno zadržati in ima prednost manjše izgube informacij med potovanjem. To je še posebej uporabno v primerih, ko se medsebojne povezave lahko segrejejo, kar lahko upočasni gibanje elektronov. Z uporabo svetlobe za premikanje informacij je mogoče ustvariti hitrejše in učinkovitejše optične računalniške naprave.

Raziskovalci upajo, da bo uporaba svetlobe za prenos informacij v optičnem računalništvu povzročila razvoj računalnikov v velikosti eksa. Računalniki Exascale so sposobni izvesti milijarde izračunov vsako sekundo, kar je 1000-krat hitreje od trenutno najhitrejših sistemov. Z uporabo svetlobe za komunikacijo je mogoče doseči to stopnjo hitrosti obdelave, kar ima za posledico zmogljivejše in učinkovitejše računalniške naprave.

Prednosti in slabosti optičnega računalništva

Prednosti optičnega računalništva so:

• Hitra gostota, majhna velikost, minimalno segrevanje stičišča, visoka hitrost, dinamično skaliranje in rekonfigurabilnost v manjša/večja omrežja/topologije, obsežne vzporedne računalniške zmogljivosti in aplikacije AI so le nekatere od primarnih prednosti optičnih računalnikov.
• Optične medsebojne povezave imajo poleg hitrosti različne prednosti. Niso nagnjeni k električnim kratkim stikom in so odporni na elektromagnetne motnje.
• Zagotavljajo prenos z majhnimi izgubami in veliko pasovno širino, kar omogoča hkratno komunikacijo več kanalov.
• Obdelava podatkov na optičnih komponentah je cenejša in enostavnejša od obdelave podatkov na elektronskih komponentah.
• Fotoni ne delujejo med seboj tako hitro kot elektroni, saj niso nabiti. To zagotavlja dodatno prednost, saj polno dupleksno delovanje omogoča, da svetlobni žarki prehajajo drug čez drugega.
• V primerjavi z magnetnimi materiali so optični materiali bolj dostopni in imajo večjo gostoto shranjevanja.

Slabosti optičnega računalništva so:

• Težko je razviti fotonske kristale.
• Zaradi interakcije več signalov je računanje kompleksen proces.
• Trenutni optični računalniški prototipi so precej zajetni. 

Optično računalništvo vs kvantno računalništvo

Optično računalništvo in kvantno računalništvo sta dve različni tehnologiji, ki lahko spremenita način razmišljanja o računanju in obdelavi podatkov.

Optično računalništvo uporablja svetlobo za izvajanje izračunov in nalog obdelave podatkov, medtem ko kvantno računalništvo uporablja načela kvantne mehanike za izvajanje izračunov.

---

Računalniki Qudit s preseganjem binarnega sistema odpirajo neskončne možnosti

---

Ena od ključnih razlik med tehnologijama je hitrost, s katero lahko izvajata izračune. Optično računalništvo lahko deluje pri veliko višjih hitrostih kot tradicionalno elektronsko računalništvo in je v nekaterih primerih tudi hitrejše od kvantnega računalništva. To je posledica dejstva, da je mogoče fotone, delce svetlobe, ki se uporabljajo v optičnem računalništvu, zlahka manipulirati in nadzorovati za opravljanje širokega spektra nalog.

Po drugi strani pa ima kvantno računalništvo potencial za reševanje določenih problemov, ki trenutno presegajo zmožnosti tudi najnaprednejših računalnikov. To je posledica edinstvenih lastnosti kvantne mehanike, ki omogočajo ustvarjanje zelo zapletenih in zapletenih stanj, ki jih je mogoče uporabiti za izvajanje izračunov.

Na splošno imata tako optično kot kvantno računalništvo potencial za revolucijo na področju računalništva in obdelave podatkov. Čeprav imata različne prednosti in omejitve, obe tehnologiji ponujata vznemirljive nove možnosti za reševanje zapletenih problemov in izboljšanje našega razumevanja sveta.

Podjetja za optično računalništvo

Če vas zanima več, smo sestavili najbolj temeljit seznam najboljših podjetij za kvantno računalništvo!

Xanadu Quantum Technologies

Kanadsko tehnološko podjetje Xanadu Quantum Technologies je glavni dobavitelj fotonske kvantne računalniške strojne opreme.

Cilj podjetja Xanadu, ki ga je leta 2016 ustanovil izvršni direktor Christian Weedbrook, je ustvariti kvantne računalnike, ki so dostopni in koristni vsem. Podjetje je sprejelo celovito strategijo za dosego tega cilja in razvija strojno in programsko opremo ter sodeluje pri vrhunskih raziskavah z izbranimi partnerji.

S pomočjo knjižnice aplikacij Strawberry Fields in storitve Xanadu Quantum Cloud (XQC) lahko podjetja in akademiki zdaj začnejo uporabljati Xanadujeve fotonske kvantne računalnike.

Z ustanovitvijo PennyLane, odprtokodnega projekta, ki je postal vrhunska programska knjižnica med kvantnimi raziskovalci in razvijalci, podjetje razvija tudi področje kvantnega strojnega učenja (QML).

PsiQuantum

Cilj PsiQuantum, skupina kvantnih fizikov, inženirjev polprevodnikov, sistemov in programske opreme, sistemskih arhitektov in drugih bo ustvarila prvi uporaben kvantni računalnik z uporabo fotoničnega pristopa, ker menijo, da ponuja tehnične prednosti v obsegu, ki je potreben za popravljanje napak. Z osredotočanjem na kvantni računalnik z 1 milijonom kubitov so pritegnili medijsko pozornost.

PsiQuantum so leta 2015 ustanovili Jeremy O'Brien, Terry Rudolph, Pete Shadbolt in Mark Thompson, njegov sedež pa je v Silicijevi dolini, epicentru tehnoloških inovacij.

Računalništvo ORCA

Na podlagi raziskave skupine za ultra hitro in nelinearno kvantno optiko profesorja Iana Walmsleyja na Univerzi v Oxfordu, ORCA so v Londonu ustanovili izkušeni znanstveniki in poslovneži. Ian Walmsley, Josh Nunn in Kris Kaczmarek v skupini so spoznali, da lahko »kratkoročni« kvantni spomini sinhronizirajo fotonske aktivnosti in naredijo kvantno računalništvo resnično razširljivo.

Z izkoriščanjem kvantnega pomnilnika ORCA za reševanje te težave redundance ORCA sprosti potencial kvantne fotonike brez resnih kompromisov konkurenčnih metod.

ORCA so leta 2019 ustanovili Ian Walmsley, Richard Murray, Josh Nunn in Cristina Escoda s sedežem v Londonu.

Quandela

Poklicalo se je novo podjetje Quandela se posveča ustvarjanju funkcionalnih naprav za raziskovanje fotonike, kvantnih računalnikov in kvantnih informacij.

Ustvarja značilne polprevodniške kvantne vire svetlobe. Z uporabo teh virov je razvita nova generacija kvantnih računalnikov, ki temeljijo na manipulaciji svetlobe.

Leta 2017 so Valerian Giesz, Pascale Senellart in Niccolo Somaschi v Parizu ustanovili to podjetje za fotoniko.

TundraSystems Global

Brian Antao ustanovil TundraSystems Global v Cardiffu v Walesu, da bi od začetka zgradili številne dosežke iz različnih akademskih virov, kot so Univerza v Bristolu, MIT, UK Quantum Technology Hubs itd., v računalniških rešitvah v povsem optičnem režimu z uporabo temeljnih temeljev kvantne mehanike.

Končni cilj organizacije je ustvarjanje in distribucija inovativnih rešitev kvantne tehnologije. Izdelava knjižnice za Tundra Quantum Photonics Technology je začetni korak v razvojnem procesu. To je element strategije sistema Tundra System, ki ustvarja TundraProcessor, popolnoma funkcionalen mikroprocesor kvantne fotonike. S pomočjo te knjižnice je mogoče zgraditi obsežen sistem HPC, ki obdaja TundraProcessor, kar naj bi olajšalo tudi razvoj ekosistema fotonskih integriranih vezij.

zaključek

Na koncu vidimo vznemirljiv razvoj pri uporabi laserjev in svetlobe v računalništvu. Ker optična tehnologija še naprej napreduje, lahko pričakujemo, da se bo uporabljala v številnih aplikacijah, od omrežij za vzporedno obdelavo in shranjevanje do optičnih podatkovnih omrežij in biometričnih naprav za shranjevanje.

Procesorji današnjih računalnikov zdaj vsebujejo detektorje svetlobe in majhne laserje, ki omogočajo prenos podatkov po optičnih vlaknih. Nekatera podjetja celo razvijajo optične procesorje, ki uporabljajo optična stikala in lasersko svetlobo za izvajanje izračunov. Intel, eden vodilnih zagovornikov te tehnologije, ustvarja integrirano silicijevo fotonično povezavo, ki lahko prenaša 50 gigabajtov na sekundo neprekinjenih informacij.

---

Nov nevroračunalniški model bi lahko pospešil raziskave nevronske umetne inteligence

---

Prihodnji računalniki bi lahko prišli brez zaslonov, informacije pa bi bile predstavljene s hologrami v zraku nad tipkovnico. Ta tehnologija je omogočena s sodelovanjem raziskovalcev in industrijskih strokovnjakov. Poleg tega se predvideva, da bo praktična uporaba optične tehnologije v obliki optičnih omrežij naraščala vsako leto.

S svojim potencialom za visoko hitrost in učinkovito računanje je optična tehnologija pripravljena spremeniti način razmišljanja o računanju in obdelavi podatkov.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/