Розвиток інтегрованої фотоніки: наскільки світло змінює вигляд комп’ютерів?

Оптичні обчислення — це революційна технологія, яка може змінити наше уявлення про обчислення. На відміну від традиційних комп’ютерів, які використовують електричні сигнали для виконання обчислень, оптичні обчислення використовують світло. Це забезпечує набагато більшу частоту обробки даних, що дає змогу виконувати великі та складні обчислення з неймовірно високою швидкістю.

Однією з ключових технологій оптичних обчислень є фотонні обчислення, які використовують фотони для виконання обчислень замість електронів. Це дозволяє застосовувати більш ефективний і синтетичний підхід до обчислень, оскільки фотонами можна легко маніпулювати та контролювати їх для виконання широкого спектру завдань.

Ще однією ключовою технологією в області оптичних обчислень є інтегрована фотоніка. Це стосується інтеграції фотонних компонентів в єдиний компактний пристрій, що забезпечує більш ефективний і масштабований підхід до обчислень.

Загалом, використання цих технологій може революціонізувати наше уявлення про обчислення та обробку даних. За допомогою оптичних обчислень ми можемо вирішувати проблеми, які наразі виходять за рамки можливостей навіть найдосконаліших комп’ютерів, і робити це зі швидкостями, які неможливо уявити за сучасних технологій.

Дослідники знайшли спосіб запускати світлові логічні вентилі, які в мільйон разів швидше, ніж звичайні електронні логічні вентилі, які є в традиційних комп’ютерних процесорах. Ці логічні елементи, які складаються з булевих функцій і запускають двійкові підпрограми, зазвичай виконуються в електронному вигляді. Однак новий метод використовує світло для виконання тих самих функцій, що призводить до значно більшої швидкості обробки.

Це було виявлено в дослідженні, проведеному в університеті AALTO опубліковано в журналі Science Advances.

Що таке оптичні обчислення?

Оптичний комп’ютер, також відомий як фотонний комп’ютер, — це пристрій, який виконує цифрові обчислення за допомогою фотонів у видимому світлі або інфрачервоних (ІЧ) променів на відміну від електричного струму. Швидкість електричного струму становить лише 10% швидкості світла. Однією з причин, що призвели до розробки оптичного волокна, було обмеження швидкості передачі даних на великі відстані. Комп’ютер, який може виконувати процеси в десять або більше разів швидше, ніж традиційний електронний комп’ютер, одного дня може бути створений шляхом реалізації деяких переваг видимих ​​та/або інфрачервоних мереж у розмірах пристрою та компонентів.

На відміну від електричних струмів, видимі та інфрачервоні промені протікають один через одного, не взаємодіючи. Навіть коли вони обмежені по суті двома вимірами, багато (або багато) лазерних променів можуть світитися так, що їхні шляхи перетинаються, але між променями немає перешкод. Електропроводка в трьох вимірах важлива, оскільки електричні струми повинні бути спрямовані один навколо одного. Як наслідок, оптичний комп’ютер також може бути меншим і значно швидшим за електронний.

Хоча деякі інженери прогнозують, що оптичні обчислення набудуть широкого поширення в майбутньому, більшість експертів сходяться на думці, що зміни відбуватимуться поступово в окремих нішах. Існують деякі оптичні інтегральні схеми, які були розроблені та виготовлені. (Оптичні схеми були використані в конструкції принаймні одного повнофункціонального, хоча й дещо великого комп’ютера.) Розділивши зображення на вокселі, можна транслювати тривимірне повнорухове відео через мережу волокон. Незважаючи на те, що імпульси даних, які використовуються для керування деякими оптичними пристроями, являють собою хвилі видимого світла або інфрачервоні хвилі, електронні струми все одно можуть керувати ними.

Цифровий зв’язок, де оптоволоконна передача даних уже поширена, оптична технологія просунулася найбільше. Кінцевою метою є так звана фотонна мережа, де кожне джерело та пункт призначення з’єднані лише видимими та інфрачервоними фотонами. Лазерні принтери, фотокопіювальні апарати, сканери, приводи компакт-дисків та їхні родичі використовують оптичні технології. Проте всі ці пристрої певною мірою покладаються на звичайні електронні схеми та частини; жодна з них не є повністю оптичною.

Як працюють оптичні обчислення?

Оптичні обчислення схожі на традиційні обчислення тим, що для виконання обчислень використовують логічні вентилі та двійкові процедури. Однак він відрізняється способом виконання цих розрахунків. В оптичних обчисленнях фотони генеруються світлодіодами, лазерами та іншими пристроями та використовуються для кодування даних подібно до електронів у традиційних обчисленнях. Це дозволяє виконувати набагато швидші та ефективніші обчислення, оскільки фотонами можна легко маніпулювати та контролювати їх для виконання широкого спектру завдань.

---

ІІоТ та периферійні обчислення набирають обертів у багатьох галузях

---

З кінцевою метою розробки оптичного комп’ютера існують дослідження, зосереджені на проектуванні та реалізації оптичних транзисторів. Світловий промінь може бути ефективно заблокований поляризаційним екраном, який обертається на 90 градусів. Діелектричні компоненти, які можуть працювати як поляризатори, також використовуються для створення оптичних транзисторів. Незважаючи на деякі технічні труднощі, оптичні логічні ворота принципово можливі. Вони складалися б з одного елемента керування та багатьох променів, які б забезпечували правильні логічні результати.

Однією з основних переваг традиційних електронних комп’ютерів є те, що кремнієві канали та мідні дроти можна використовувати для спрямування та контролю руху електронів. Це дозволяє проводити ефективні та надійні обчислення.

В оптичних обчисленнях подібного ефекту можна досягти за допомогою плазмонних наночастинок. Ці частинки можуть направляти та контролювати рух фотонів, дозволяючи їм повертати за кути та продовжувати свій шлях без значної втрати потужності чи перетворення в електрони. Це дає можливість створювати компактні та ефективні оптичні обчислювальні пристрої.

Більшість частин оптичного чіпа подібні до традиційного комп’ютерного чіпа, де електрони використовуються для обробки та перетворення інформації. Однак з’єднання, які використовуються для передачі інформації між різними областями чіпа, були суттєво змінені.

В оптичних обчисленнях світло використовується замість електронів для переміщення інформації. Це пояснюється тим, що світло можна легко стримувати, а його перевага полягає в меншій втраті інформації під час подорожі. Це особливо корисно в ситуаціях, коли з’єднання можуть нагріватися, що може уповільнити рух електронів. Використовуючи світло для передачі інформації, можна створювати швидші та ефективніші оптичні обчислювальні пристрої.

Дослідники сподіваються, що використання світла для переміщення інформації в оптичних обчисленнях призведе до розробки екзамасштабних комп’ютерів. Ексамасштабні комп’ютери здатні виконувати мільярди обчислень щосекунди, що в 1000 разів швидше, ніж нині найшвидші системи. Використовуючи світло для зв’язку, можна досягти такого рівня швидкості обробки, що призводить до більш потужних і ефективних обчислювальних пристроїв.

Переваги та недоліки оптичних обчислень

Переваги оптичних обчислень:

• Висока щільність, малий розмір, мінімальний нагрів спаю, висока швидкість, динамічне масштабування та можливість реконфігурації в менших/більших мережах/топологіях, широкі можливості паралельних обчислень і програми штучного інтелекту – це лише деякі з основних переваг оптичних комп’ютерів.
• Крім швидкості, оптичні з’єднання мають ряд переваг. Вони не схильні до електричних коротких замикань і несприйнятливі до електромагнітних перешкод.
• Вони забезпечують передачу з низькими втратами та велику пропускну здатність, що дозволяє одночасно спілкуватися кількома каналами.
• Обробка даних на оптичних компонентах дешевша і простіша, ніж обробка даних на електронних компонентах.
• Фотони не взаємодіють один з одним так швидко, як електрони, оскільки вони не заряджені. Це забезпечує додаткову перевагу, оскільки повнодуплексне функціонування дозволяє світловим променям проходити один через одного.
• Порівняно з магнітними матеріалами, оптичні матеріали більш доступні та мають вищу щільність зберігання.

Недоліки оптичних обчислень:

• Важко розробити фотонні кристали.
• Через взаємодію кількох сигналів обчислення є складним процесом.
• Сучасні прототипи оптичних комп’ютерів мають досить громіздкі розміри. 

Оптичні обчислення проти квантових обчислень

Оптичні та квантові обчислення — це дві різні технології, які можуть революціонізувати наше уявлення про обчислення та обробку даних.

Оптичні обчислення використовують світло для виконання обчислень і завдань обробки даних, тоді як квантові обчислення використовують принципи квантової механіки для виконання обчислень.

---

Комп’ютери Qudit відкривають безмежні можливості, виходячи за межі двійкової системи

---

Однією з ключових відмінностей між двома технологіями є швидкість, з якою вони можуть виконувати обчислення. Оптичні обчислення здатні працювати на набагато вищих швидкостях, ніж традиційні електронні обчислення, а також у деяких випадках швидше, ніж квантові обчислення. Це пов’язано з тим, що фотонами, частинками світла, які використовуються в оптичних обчисленнях, можна легко керувати та керувати ними для виконання широкого спектру завдань.

З іншого боку, квантові обчислення мають потенціал для вирішення певних проблем, які наразі виходять за межі можливостей навіть найдосконаліших комп’ютерів. Це пов’язано з унікальними властивостями квантової механіки, які дозволяють створювати дуже складні та заплутані стани, які можна використовувати для виконання обчислень.

Загалом, як оптичні, так і квантові обчислення мають потенціал зробити революцію в області обчислень і обробки даних. Хоча обидві технології мають різні переваги та обмеження, вони пропонують нові захоплюючі можливості для вирішення складних проблем і покращення нашого розуміння світу.

Оптичні обчислювальні компанії

Якщо ви хочете дізнатися більше, ми склали найповніший список найкращих квантових обчислювальних компаній!

Xanadu Quantum Technologies

Канадський технологічний бізнес Xanadu Quantum Technologies є основним постачальником обладнання для фотонних квантових обчислень.

Метою Xanadu, компанії, заснованої в 2016 році генеральним директором Крістіаном Відбруком, є створення квантових комп’ютерів, доступних і корисних для всіх. Для досягнення цієї мети компанія прийняла повну стратегію та розробляє апаратне забезпечення, програмне забезпечення та бере участь у передових дослідженнях разом із обраними партнерами.

Завдяки бібліотеці додатків Strawberry Fields і службі Xanadu Quantum Cloud (XQC) компанії та науковці тепер можуть почати використовувати фотонні квантові комп’ютери Xanadu.

Завдяки створенню PennyLane, проекту з відкритим вихідним кодом, який став провідною бібліотекою програмного забезпечення серед квантових дослідників і розробників, бізнес також розвиває сферу квантового машинного навчання (QML).

PsiQuantum

Мета PsiQuantum, група квантових фізиків, інженерів із напівпровідників, систем і програмного забезпечення, системних архітекторів та інших має створити перший корисний квантовий комп’ютер за допомогою фотонного підходу, оскільки вони вважають, що він пропонує технічні переваги в масштабі, необхідному для виправлення помилок. Вони привернули увагу ЗМІ, зосередившись на квантовому комп’ютері на 1 мільйон кубітів.

PsiQuantum був заснований у 2015 році Джеремі О'Браєном, Террі Рудольфом, Пітом Шедболтом і Марком Томпсоном, а штаб-квартира компанії розташована в Кремнієвій долині, епіцентрі технологічних інновацій.

ORCA Computing

На основі дослідження групи надшвидкої та нелінійної квантової оптики професора Яна Волмслі в Оксфордському університеті, ORCA була заснована в Лондоні кваліфікованими вченими та бізнесменами. Ян Уолмслі, Джош Нанн і Кріс Качмарек у групі зрозуміли, що «короткочасні» квантові спогади можуть синхронізувати фотонні дії та зробити квантові обчислення справді масштабованими.

Використовуючи квантову пам’ять ORCA для вирішення цієї проблеми надлишковості, ORCA розкриває потенціал квантової фотоніки без серйозних компромісів конкуруючих методів.

ORCA була заснована в 2019 році Ієном Уолмслі, Річардом Мюрреєм, Джошем Нанном і Крістіною Ескодою та базується в Лондоні.

Квандела

Подзвонила нова компанія Квандела присвячена створенню функціональних пристроїв для дослідження фотоніки, квантових комп’ютерів та квантової інформації.

Він створює характерні твердотільні квантові джерела світла. За допомогою цих джерел розроблено нове покоління квантових комп’ютерів, заснованих на маніпуляції світлом.

У 2017 році Валеріан Гіес, Паскаль Сенелларт і Нікколо Сомаскі створили цю фірму фотоніки в Парижі.

TundraSystems Global

Заснований Брайаном Антао TundraSystems Global в Кардіффі, Уельс, щоб створити з нуля численні розробки з різних академічних джерел, таких як Університет Брістоля, Массачусетський технологічний інститут, центри квантових технологій Великобританії тощо, в обчислювальних рішеннях у повністю оптичному режимі з використанням фундаментальної основи квантової механіки.

Кінцевою метою організації є створення та розповсюдження інноваційних квантових технологічних рішень. Створення бібліотеки для Tundra Quantum Photonics Technology є початковим кроком у процесі розробки. Це елемент стратегії Tundra System, оскільки вона працює над створенням TundraProcessor, повнофункціонального мікропроцесора квантової фотоніки. За допомогою цієї бібліотеки може бути створена комплексна система HPC, яка оточує TundraProcessor, що також має спростити еволюцію екосистеми фотонних інтегральних схем.

Висновок

На завершення ми бачимо захоплюючі досягнення у використанні лазерів і світла в обчислювальній техніці. Оскільки оптична технологія продовжує розвиватися, ми можемо очікувати, що вона буде використовуватися в широкому діапазоні застосувань, від мереж паралельної обробки та зберігання до оптичних мереж даних і біометричних пристроїв зберігання.

Процесори сучасних комп’ютерів тепер містять детектори світла та крихітні лазери, які полегшують передачу даних через оптичні волокна. Деякі компанії навіть розробляють оптичні процесори, які використовують оптичні перемикачі та лазерне світло для виконання обчислень. Intel, один із провідних прихильників цієї технології, створює інтегровану кремнієву фотоніку, яка може безперервно передавати інформацію зі швидкістю 50 гігабайт на секунду.

---

Нова нейрообчислювальна модель може просунути дослідження нейронного штучного інтелекту

---

Майбутні комп’ютери можуть бути без екранів, а інформація буде представлена ​​у вигляді голограм у повітрі над клавіатурою. Ця технологія стала можливою завдяки співпраці дослідників і промислових експертів. Крім того, передбачається, що практичне використання оптичних технологій у формі оптичних мереж зростатиме з кожним роком.

Завдяки потенціалу високошвидкісних і ефективних обчислень, оптична технологія готова революціонізувати наше уявлення про обчислення та обробку даних.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/