Framväxten av integrerad fotonik: Hur förändrar ljus datoranvändningen?

Optisk datoranvändning är en revolutionerande teknik som har potential att förändra vårt sätt att tänka kring beräkningar. Till skillnad från traditionella datorer, som använder elektriska signaler för att utföra beräkningar, använder optisk beräkning ljus. Detta möjliggör en mycket högre frekvens av databehandling, vilket gör det möjligt att köra stora och komplexa beräkningar med otroligt snabba hastigheter.

En av nyckelteknologierna bakom optisk beräkning är fotonisk beräkning, som använder fotoner för att utföra beräkningar istället för elektroner. Detta möjliggör ett mer effektivt och syntetiskt tillvägagångssätt för beräkning, eftersom fotoner enkelt kan manipuleras och kontrolleras för att utföra ett brett spektrum av uppgifter.

En annan nyckelteknologi inom området optisk beräkning är integrerad fotonik. Detta hänvisar till integreringen av fotoniska komponenter i en enda, kompakt enhet, vilket möjliggör en mer effektiv och skalbar metod för beräkning.

Sammantaget har användningen av dessa teknologier potential att revolutionera vårt sätt att tänka kring beräkning och databehandling. Med optisk beräkning kan vi lösa problem som för närvarande ligger utanför kapaciteten hos även de mest avancerade datorerna och gör det i hastigheter som är otänkbara med dagens teknologier.

Forskare har upptäckt ett sätt att köra ljusbaserade logiska grindar, som är en miljon gånger snabbare än konventionella elektroniska logiska grindar som finns i traditionella datorprocessorer. Dessa logiska grindar, som består av booleska funktioner och kör binära rutiner, körs vanligtvis elektroniskt. Den nya metoden använder dock ljus för att utföra samma funktioner, vilket leder till betydligt snabbare bearbetningshastigheter.

Detta konstaterades i en studie utförd vid AALTO University och släppt i tidskriften Science Advances.

Vad är optisk datoranvändning?

En optisk dator, även känd som en fotonisk dator, är en enhet som utför digitala beräkningar med hjälp av fotoner i synligt ljus eller infraröda (IR) strålar i motsats till elektrisk ström. Hastigheten för en elektrisk ström är bara 10% av ljusets hastighet. En av anledningarna som ledde till utvecklingen av optisk fiber var begränsningen av hastigheten med vilken data kan överföras över långa avstånd. En dator som kan göra processer tio eller fler gånger snabbare än en traditionell elektronisk dator kan en dag skapas genom att implementera några av fördelarna med synliga och/eller IR-nätverk på enhetens och komponentstorleken.

I motsats till elektriska strömmar flyter synliga och infraröda strålar över varandra utan att interagera. Även när de är begränsade till i huvudsak två dimensioner kan många (eller många) laserstrålar lysa så att deras vägar korsas, men det finns ingen interferens mellan strålarna. Kabeldragning i tre dimensioner är viktigt eftersom elektriska strömmar måste riktas runt varandra. Som ett resultat kan en optisk dator också vara mindre förutom att den är betydligt snabbare än en elektronisk.

Även om vissa ingenjörer förutspår att optisk datoranvändning kommer att bli utbredd i framtiden, är de flesta experter överens om att förändringar kommer att ske gradvis i specifika nischer. Det finns några optiska integrerade kretsar som har utvecklats och producerats. (Optiska kretsar har använts i konstruktionen av minst en fullfjädrad, om än något stor, dator.) Genom att dela upp bilden i voxlar kan en tredimensionell, full-motion video sändas via ett nätverk av fibrer. Även om dataimpulserna som används för att styra vissa optiska enheter är synligt ljus eller infraröda vågor, kan elektroniska strömmar ändå driva dem.

Digital kommunikation, där fiberoptisk dataöverföring redan är utbredd, är där den optiska tekniken har utvecklats mest. Det slutliga målet är det så kallade fotoniska nätverket, där varje källa och destination endast är sammankopplade av synliga och infraröda fotoner. Laserskrivare, kopiatorer, skannrar och CD-ROM-enheter och deras släktingar använder alla optisk teknik. Alla dessa enheter förlitar sig dock i viss mån på vanliga elektroniska kretsar och delar; ingen av dem är helt optisk.

Hur fungerar optisk datoranvändning?

Optisk beräkning liknar traditionell beräkning genom att den använder logiska grindar och binära rutiner för att utföra beräkningar. Det skiljer sig dock åt i hur dessa beräkningar utförs. Inom optisk beräkning genereras fotoner av lysdioder, lasrar och andra enheter och används för att koda data på ett liknande sätt som elektroner i traditionell beräkning. Detta möjliggör mycket snabbare och mer effektiv beräkning, eftersom fotoner enkelt kan manipuleras och kontrolleras för att utföra ett brett spektrum av uppgifter.

---

IIoT och edge computing vinner dragkraft i många branscher

---

Med det yttersta målet att utveckla en optisk dator finns det studier som fokuserar på design och implementering av optiska transistorer. En ljusstråle kan effektivt blockeras av en polariserande skärm som roterar 90 grader. Dielektriska komponenter som har kapacitet att fungera som polarisatorer används också för att skapa optiska transistorer. Trots vissa tekniska svårigheter är optiska logiska grindar i grunden möjliga. De skulle bestå av en enda kontroll och många strålar som skulle ge rätt logiska resultat.

En stor fördel med traditionella elektroniska datorer är att kiselkanaler och koppartrådar kan användas för att styra och kontrollera elektronernas rörelse. Detta möjliggör effektiv och pålitlig beräkning.

Inom optisk beräkning kan en liknande effekt uppnås med plasmoniska nanopartiklar. Dessa partiklar kan styra och kontrollera fotonernas rörelse, vilket gör att de kan svänga och fortsätta på sin väg utan betydande kraftförlust eller omvandling till elektroner. Detta gör det möjligt att skapa kompakta och effektiva optiska beräkningsenheter.

De flesta delar av ett optiskt chip liknar ett traditionellt datorchip, med elektroner som används för att bearbeta och transformera information. Sammankopplingarna, som används för att växla information mellan olika delar av chippet, har dock ändrats avsevärt.

I optisk beräkning används ljus istället för elektroner för att skjuta information. Detta beror på att ljus lätt kan hållas tillbaka och har fördelen av mindre informationsförlust under resor. Detta är särskilt användbart i situationer där sammankopplingarna kan värmas upp, vilket kan bromsa elektronernas rörelse. Genom att använda ljus för informationsöverföring är det möjligt att skapa snabbare och mer effektiva optiska beräkningsenheter.

Forskare hoppas att användningen av ljus för informationsöverföring i optisk beräkning kommer att resultera i utvecklingen av exascale datorer. Exascale-datorer kan utföra miljarder beräkningar varje sekund, vilket är 1000 gånger snabbare än de nuvarande snabbaste systemen. Genom att använda ljus för kommunikation är det möjligt att uppnå denna nivå av bearbetningshastighet, vilket resulterar i mer kraftfulla och effektiva datorenheter.

Fördelar och nackdelar med optisk datoranvändning

Fördelarna med optisk datoranvändning är:

• Snabb densitet, liten storlek, minimal korsningsuppvärmning, hög hastighet, dynamisk skalning och omkonfigurerbarhet till mindre/större nätverk/topologier, stor parallell beräkningskapacitet och AI-applikationer är bara några av de främsta fördelarna med optiska datorer.
• Optiska sammankopplingar har olika fördelar förutom hastighet. De är inte utsatta för elektriska kortslutningar och är immuna mot elektromagnetiska störningar.
• De ger överföring med låg förlust och mycket bandbredd, vilket gör att flera kanaler kan kommunicera samtidigt.
• Databehandling på optiska komponenter är billigare och enklare än databehandling på elektroniska komponenter.
• Fotoner interagerar inte med varandra lika snabbt som elektroner gör eftersom de inte är laddade. Detta ger ytterligare en fördel eftersom full duplex-funktion tillåter ljusstrålarna att passera över varandra.
• Jämfört med magnetiska material är optiska material mer tillgängliga och har högre lagringstäthet.

Nackdelarna med optisk datoranvändning är:

• Det är svårt att utveckla fotoniska kristaller.
• På grund av interaktionen mellan flera signaler är beräkning en komplex process.
• Nuvarande optiska datorprototyper är ganska skrymmande i storlek. 

Optisk beräkning vs kvantberäkning

Optisk beräkning och kvantberäkning är två olika teknologier som har potential att revolutionera vårt sätt att tänka kring beräkning och databehandling.

Optisk beräkning använder ljus för att utföra beräkningar och databearbetningsuppgifter, medan kvantberäkningar använder kvantmekanikens principer för att utföra beräkningar.

---

Qudit-datorer öppnar oändliga möjligheter genom att överskrida det binära systemet

---

En av de viktigaste skillnaderna mellan de två teknikerna är den hastighet med vilken de kan utföra beräkningar. Optisk beräkning kan arbeta med mycket högre hastigheter än traditionell elektronisk beräkning och är också snabbare än kvantberäkning i vissa fall. Detta beror på det faktum att fotoner, ljuspartiklarna som används i optisk beräkning, lätt kan manipuleras och kontrolleras för att utföra ett brett spektrum av uppgifter.

Å andra sidan har kvantberäkning potential att lösa vissa problem som för närvarande ligger utanför kapaciteten hos även de mest avancerade datorerna. Detta beror på de unika egenskaperna hos kvantmekaniken, som möjliggör skapandet av mycket komplexa och intrasslade tillstånd som kan användas för att utföra beräkningar.

Sammantaget har både optisk beräkning och kvantberäkning potential att revolutionera området beräkning och databehandling. Även om de har olika styrkor och begränsningar, erbjuder båda teknologierna spännande nya möjligheter för att lösa komplexa problem och främja vår förståelse av världen.

Optiska datorföretag

Om du är intresserad av att lära dig mer, har vi satt ihop den mest grundliga listan över de bästa kvantdatorföretagen där ute!

Xanadu Quantum Technologies

Kanadensisk teknikaffär Xanadu Quantum Technologies är en stor leverantör av fotonisk quantum computing hårdvara.

Målet för Xanadu, ett företag som grundades 2016 av VD Christian Weedbrook, är att skapa kvantdatorer som är tillgängliga och fördelaktiga för alla. Företaget har antagit en fullstackstrategi för att uppnå detta mål och utvecklar hårdvara, mjukvara och engagerar sig i spetsforskning med utvalda partners.

Med hjälp av applikationsbiblioteket Strawberry Fields och tjänsten Xanadu Quantum Cloud (XQC) kan företag och akademiker nu börja använda Xanadus fotoniska kvantdatorer.

Genom skapandet av PennyLane, ett projekt med öppen källkod som har vuxit till att bli ett förstklassigt programvarubibliotek bland kvantforskare och utvecklare, utvecklar verksamheten också området kvantmaskininlärning (QML).

PsiQuantum

Målet med PsiQuantum, en grupp kvantfysiker, halvledar-, system- och mjukvaruingenjörer, systemarkitekter och andra ska skapa den första användbara kvantdatorn genom att använda den fotoniska metoden eftersom de tror att den erbjuder tekniska fördelar i den skala som behövs för felkorrigering. De skapade uppmärksamhet i media genom att koncentrera sig på en kvantdator på 1 miljon qubit.

PsiQuantum grundades 2015 av Jeremy O'Brien, Terry Rudolph, Pete Shadbolt och Mark Thompson och har sitt huvudkontor i Silicon Valley, epicentrum för teknisk innovation.

ORCA Computing

Baserat på forskning från professor Ian Walmsleys ultrasnabba och icke-linjära kvantoptikgrupp vid University of Oxford, ORCA grundades i London av skickliga vetenskapsmän och affärsmän. Ian Walmsley, Josh Nunn och Kris Kaczmarek i gruppen insåg att "kortsiktiga" kvantminnen kan synkronisera fotoniska aktiviteter och göra kvantberäkningen verkligt skalbar.

Genom att utnyttja ORCAs kvantminne för att ta itu med detta redundansproblem, låser ORCA upp potentialen hos kvantfotonik utan de allvarliga kompromisserna med konkurrerande metoder.

ORCA grundades 2019 av Ian Walmsley, Richard Murray, Josh Nunn och Cristina Escoda och är baserat i London.

Quandela

Ett nytt företag ringde Quandela är tillägnad skapandet av funktionella enheter för forskning inom fotonik, kvantdatorer och kvantinformation.

Det skapar distinkta solid-state kvantljuskällor. En ny generation kvantdatorer baserade på manipulation av ljus utvecklas med hjälp av dessa källor.

2017 skapade Valerian Giesz, Pascale Senellart och Niccolo Somaschi detta fotonikföretag i Paris.

TundraSystems Global

Brian Antao grundade TundraSystems Global i Cardiff, Wales, för att från grunden bygga upp de många utvecklingarna från olika akademiska källor, såsom University of Bristol, MIT, UK Quantum Technology Hubs, etc., inom beräkningslösningar i en helt optisk regim med den grundläggande grunden av kvantmekaniken.

Organisationens yttersta mål är att skapa och distribuera innovativa kvantteknologiska lösningar. Att skapa ett bibliotek för Tundra Quantum Photonics Technology är det första steget i utvecklingsprocessen. Detta är en del av Tundra Systems strategi då det arbetar för att skapa TundraProcessor, en fullt fungerande kvantfotonikmikroprocessor. Ett omfattande HPC-system som omger TundraProcessor kan byggas med hjälp av detta bibliotek, vilket också borde göra det lättare för ekosystemet av fotoniska integrerade kretsar att utvecklas.

Slutsats

Sammanfattningsvis ser vi spännande utvecklingar inom användningen av lasrar och ljus i datoranvändning. När den optiska tekniken fortsätter att utvecklas kan vi förvänta oss att den används i ett brett spektrum av applikationer, från parallella bearbetnings- och lagringsnätverk till optiska datanätverk och biometriska lagringsenheter.

Processorerna i dagens datorer innehåller nu ljusdetektorer och små lasrar som underlättar dataöverföring genom optiska fibrer. Vissa företag utvecklar till och med optiska processorer som använder optiska omkopplare och laserljus för att utföra beräkningar. Intel, en av de ledande förespråkarna för denna teknik, skapar en integrerad kiselfotoniklänk som kan överföra 50 gigabyte per sekund av oavbruten information.

---

En ny neuroberäkningsmodell kan främja forskning om neural artificiell intelligens

---

Framtida datorer kan komma utan skärmar, med information som presenteras genom hologram i luften ovanför tangentbordet. Denna teknik möjliggörs genom samarbete mellan forskare och industriexperter. Dessutom förutspås den praktiska användningen av optisk teknik i form av optiska nätverk växa för varje år som går.

Med sin potential för höghastighets och effektiv beräkning är optisk teknik redo att revolutionera vårt sätt att tänka kring beräkning och databehandling.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/