Sự gia tăng của quang tử tích hợp: Ánh sáng đang thay đổi diện mạo của điện toán như thế nào?

Điện toán quang học là một công nghệ mang tính cách mạng có khả năng thay đổi cách chúng ta nghĩ về điện toán. Không giống như các máy tính truyền thống sử dụng tín hiệu điện để thực hiện các phép tính, máy tính quang học sử dụng ánh sáng. Điều này cho phép tần suất xử lý dữ liệu cao hơn nhiều, giúp có thể chạy các phép tính lớn và phức tạp với tốc độ cực nhanh.

Một trong những công nghệ then chốt đằng sau điện toán quang học là điện toán quang tử, sử dụng photon để thực hiện phép tính thay vì điện tử. Điều này cho phép một phương pháp tính toán tổng hợp và hiệu quả hơn, vì các photon có thể dễ dàng thao tác và kiểm soát để thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau.

Một công nghệ then chốt khác trong lĩnh vực điện toán quang học là quang tử tích hợp. Điều này đề cập đến việc tích hợp các thành phần quang tử vào một thiết bị nhỏ gọn, duy nhất, cho phép tiếp cận tính toán hiệu quả hơn và có khả năng mở rộng hơn.

Nhìn chung, việc sử dụng các công nghệ này có khả năng cách mạng hóa cách chúng ta nghĩ về tính toán và xử lý dữ liệu. Với điện toán quang học, chúng ta có thể giải quyết các vấn đề hiện nằm ngoài khả năng của ngay cả những máy tính tiên tiến nhất và thực hiện điều đó với tốc độ không thể tưởng tượng được với các công nghệ ngày nay.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một cách để chạy các cổng logic dựa trên ánh sáng, nhanh hơn hàng triệu lần so với các cổng logic điện tử thông thường được tìm thấy trong bộ xử lý máy tính truyền thống. Các cổng logic này, được tạo thành từ các hàm Boolean và chạy các thủ tục nhị phân, thường được chạy bằng điện tử. Tuy nhiên, phương pháp mới sử dụng ánh sáng để thực hiện các chức năng tương tự, dẫn đến tốc độ xử lý nhanh hơn đáng kể.

Điều này đã được tìm thấy trong một nghiên cứu được thực hiện tại Đại học AALTO và công bố trên tạp chí Science Advances.

Điện toán quang học là gì?

Máy tính quang học, còn được gọi là máy tính quang tử, là một thiết bị thực hiện các tính toán kỹ thuật số bằng cách sử dụng các photon trong chùm ánh sáng khả kiến ​​hoặc tia hồng ngoại (IR) trái ngược với dòng điện. Tốc độ dòng điện chỉ bằng 10% tốc độ ánh sáng. Một trong những lý do dẫn đến sự phát triển của cáp quang là hạn chế về tốc độ truyền dữ liệu qua khoảng cách xa. Một máy tính có thể thực hiện các quy trình nhanh hơn mười lần hoặc hơn so với máy tính điện tử truyền thống một ngày nào đó có thể được tạo ra bằng cách triển khai một số lợi ích của mạng hồng ngoại và/hoặc có thể nhìn thấy ở kích thước thiết bị và thành phần.

Ngược lại với dòng điện, các chùm tia nhìn thấy và tia hồng ngoại truyền qua nhau mà không tương tác. Ngay cả khi chúng bị hạn chế về cơ bản là hai chiều, nhiều (hoặc nhiều) chùm tia laze có thể được chiếu sao cho đường đi của chúng cắt nhau, nhưng không có sự giao thoa giữa các chùm tia. Đi dây theo ba chiều rất quan trọng vì các dòng điện phải được định hướng xung quanh nhau. Kết quả là, một máy tính quang học cũng có thể nhỏ hơn và nhanh hơn đáng kể so với máy tính điện tử.

Mặc dù một số kỹ sư dự đoán rằng điện toán quang học sẽ trở nên phổ biến trong tương lai, nhưng hầu hết các chuyên gia đều đồng ý rằng những thay đổi sẽ diễn ra dần dần trong các lĩnh vực cụ thể. Có một số mạch tích hợp quang học đã được phát triển và sản xuất. (Các mạch quang học đã được sử dụng trong việc xây dựng ít nhất một máy tính đầy đủ tính năng, mặc dù hơi lớn.) Bằng cách chia hình ảnh thành các điểm ảnh ba chiều, một video ba chiều, chuyển động đầy đủ có thể được phát qua một mạng lưới sợi quang. Mặc dù các xung dữ liệu được sử dụng để điều khiển một số thiết bị quang học là ánh sáng nhìn thấy được hoặc sóng hồng ngoại, nhưng các dòng điện tử vẫn có thể vận hành chúng.

Truyền thông kỹ thuật số, nơi truyền dữ liệu sợi quang đã phổ biến, là nơi công nghệ quang học phát triển nhất. Mục tiêu cuối cùng là cái gọi là mạng quang tử, trong đó mỗi nguồn và đích chỉ được kết nối bằng các photon nhìn thấy được và hồng ngoại. Máy in laser, máy photocopy, máy quét và ổ đĩa CD-ROM và họ hàng của chúng đều sử dụng công nghệ quang học. Tuy nhiên, tất cả các thiết bị này đều dựa vào các bộ phận và mạch điện tử thông thường ở một mức độ nào đó; không ai trong số họ là hoàn toàn quang học.

Máy tính quang học hoạt động như thế nào?

Điện toán quang học tương tự như điện toán truyền thống ở chỗ nó sử dụng các cổng logic và các thủ tục nhị phân để thực hiện các phép tính. Tuy nhiên, nó khác ở chỗ các tính toán này được thực hiện. Trong điện toán quang học, các photon được tạo ra bởi đèn LED, laser và các thiết bị khác và được sử dụng để mã hóa dữ liệu theo cách tương tự như các điện tử trong điện toán truyền thống. Điều này cho phép tính toán nhanh hơn và hiệu quả hơn nhiều, vì các photon có thể dễ dàng thao tác và điều khiển để thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau.

---

IIoT và điện toán biên đang đạt được sức hút trong nhiều ngành công nghiệp

---

Với mục tiêu cuối cùng là phát triển một máy tính quang học, đã có những nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế và triển khai các bóng bán dẫn quang học. Một chùm ánh sáng có thể bị chặn một cách hiệu quả bởi một màn hình phân cực xoay 90 độ. Các thành phần điện môi có khả năng hoạt động như các bản phân cực cũng được sử dụng để tạo ra các bóng bán dẫn quang. Mặc dù có một số khó khăn về kỹ thuật, nhưng về cơ bản cổng logic quang học là có thể thực hiện được. Chúng sẽ bao gồm một bộ điều khiển duy nhất và nhiều chùm cung cấp kết quả hợp lý phù hợp.

Một ưu điểm chính của máy tính điện tử truyền thống là các kênh silicon và dây đồng có thể được sử dụng để hướng dẫn và kiểm soát chuyển động của các điện tử. Điều này cho phép tính toán hiệu quả và đáng tin cậy.

Trong điện toán quang học, hiệu ứng tương tự có thể đạt được khi sử dụng các hạt nano plasmon. Những hạt này có thể hướng dẫn và kiểm soát chuyển động của các photon, cho phép chúng quay các góc và tiếp tục đi trên con đường của mình mà không bị mất năng lượng đáng kể hoặc chuyển đổi thành điện tử. Điều này giúp tạo ra các thiết bị tính toán quang nhỏ gọn và hiệu quả.

Hầu hết các bộ phận của chip quang tương tự như chip máy tính truyền thống, với các electron được sử dụng để xử lý và biến đổi thông tin. Tuy nhiên, các kết nối được sử dụng để truyền thông tin giữa các khu vực khác nhau của chip đã được thay đổi đáng kể.

Trong điện toán quang học, ánh sáng được sử dụng thay vì điện tử để chuyển thông tin. Điều này là do ánh sáng có thể được chứa dễ dàng và có ưu điểm là ít bị mất thông tin hơn trong quá trình di chuyển. Điều này đặc biệt hữu ích trong các tình huống mà các kết nối có thể nóng lên, có thể làm chậm chuyển động của các điện tử. Bằng cách sử dụng ánh sáng để truyền thông tin, có thể tạo ra các thiết bị điện toán quang học nhanh hơn và hiệu quả hơn.

Các nhà nghiên cứu đang hy vọng rằng việc sử dụng ánh sáng để truyền thông tin trong điện toán quang học sẽ dẫn đến sự phát triển của máy tính exascale. Máy tính Exascale có khả năng thực hiện hàng tỷ phép tính mỗi giây, nhanh hơn 1000 lần so với các hệ thống nhanh nhất hiện tại. Bằng cách sử dụng ánh sáng để liên lạc, có thể đạt được mức tốc độ xử lý này, dẫn đến các thiết bị điện toán mạnh mẽ và hiệu quả hơn.

Ưu điểm và nhược điểm của máy tính quang

Ưu điểm của máy tính quang học là:

• Mật độ nhanh, kích thước nhỏ, làm nóng đường giao nhau ở mức tối thiểu, tốc độ cao, khả năng mở rộng quy mô động và khả năng cấu hình lại thành các mạng/cấu trúc liên kết nhỏ hơn/lớn hơn, khả năng tính toán song song rộng lớn và các ứng dụng AI chỉ là một số lợi ích chính của máy tính quang học.
• Kết nối quang có nhiều lợi ích khác nhau ngoài tốc độ. Chúng không dễ bị đoản mạch và không bị nhiễu điện từ.
• Chúng cung cấp truyền dẫn ít tổn thất và nhiều băng thông, cho phép nhiều kênh giao tiếp đồng thời.
• Xử lý dữ liệu trên các thành phần quang học ít tốn kém và đơn giản hơn so với xử lý dữ liệu trên các thành phần điện tử.
• Các photon không tương tác với nhau nhanh như các electron vì chúng không tích điện. Điều này mang lại lợi ích hơn nữa vì chức năng song công hoàn toàn cho phép các chùm ánh sáng truyền qua nhau.
• So với vật liệu từ tính, vật liệu quang học dễ tiếp cận hơn và có mật độ lưu trữ cao hơn.

Nhược điểm của máy tính quang học là:

• Rất khó để phát triển các tinh thể quang tử.
• Do sự tương tác của một số tín hiệu, tính toán là một quá trình phức tạp.
• Các nguyên mẫu máy tính quang học hiện tại có kích thước khá cồng kềnh. 

Điện toán quang học so với điện toán lượng tử

Điện toán quang học và điện toán lượng tử là hai công nghệ khác nhau có tiềm năng cách mạng hóa cách chúng ta nghĩ về tính toán và xử lý dữ liệu.

Điện toán quang học sử dụng ánh sáng để thực hiện các tác vụ tính toán và xử lý dữ liệu, trong khi điện toán lượng tử sử dụng các nguyên tắc của cơ học lượng tử để thực hiện các phép tính.

---

Máy tính Qudit mở ra khả năng vô tận bằng cách vượt quá hệ thống nhị phân

---

Một trong những điểm khác biệt chính giữa hai công nghệ là tốc độ mà chúng có thể thực hiện các phép tính. Điện toán quang học có thể hoạt động ở tốc độ cao hơn nhiều so với điện toán điện tử truyền thống và cũng nhanh hơn điện toán lượng tử trong một số trường hợp. Điều này là do thực tế là photon, hạt ánh sáng được sử dụng trong điện toán quang học, có thể dễ dàng thao tác và điều khiển để thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau.

Mặt khác, điện toán lượng tử có khả năng giải quyết một số vấn đề hiện nằm ngoài khả năng của ngay cả những máy tính tiên tiến nhất. Điều này là do các tính chất độc đáo của cơ học lượng tử, cho phép tạo ra các trạng thái rối và phức tạp cao có thể được sử dụng để thực hiện các phép tính.

Nhìn chung, cả điện toán quang học và điện toán lượng tử đều có tiềm năng cách mạng hóa lĩnh vực tính toán và xử lý dữ liệu. Mặc dù chúng có những điểm mạnh và hạn chế khác nhau, nhưng cả hai công nghệ đều mang đến những khả năng mới thú vị để giải quyết các vấn đề phức tạp và nâng cao hiểu biết của chúng ta về thế giới.

Công ty điện toán quang học

Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm, chúng tôi đã tập hợp danh sách kỹ lưỡng nhất về các công ty điện toán lượng tử tốt nhất hiện có!

Công nghệ lượng tử Xanadu

doanh nghiệp công nghệ Canada Công nghệ lượng tử Xanadu là nhà cung cấp chính phần cứng điện toán lượng tử quang tử.

Mục tiêu của Xanadu, một công ty được thành lập vào năm 2016 bởi Giám đốc điều hành Christian Weedbrook, là tạo ra các máy tính lượng tử có thể truy cập và mang lại lợi ích cho mọi người. Công ty đã áp dụng chiến lược toàn diện để đạt được mục tiêu này, đồng thời phát triển phần cứng, phần mềm và tham gia nghiên cứu tiên tiến với các đối tác được chọn.

Với sự trợ giúp của thư viện ứng dụng Strawberry Fields và dịch vụ Đám mây lượng tử Xanadu (XQC), giờ đây các doanh nghiệp và học giả có thể bắt đầu sử dụng máy tính lượng tử quang tử của Xanadu.

Thông qua việc tạo ra PennyLane, một dự án mã nguồn mở đã phát triển thành thư viện phần mềm hàng đầu cho các nhà nghiên cứu và nhà phát triển lượng tử, doanh nghiệp cũng đang phát triển lĩnh vực máy học lượng tử (QML).

Psi lượng tử

Mục tiêu của Psi lượng tử, một nhóm các nhà vật lý lượng tử, chất bán dẫn, kỹ sư hệ thống và phần mềm, kiến ​​trúc sư hệ thống và những người khác sẽ tạo ra máy tính lượng tử hữu ích đầu tiên bằng cách sử dụng phương pháp quang tử vì họ cho rằng phương pháp này mang lại lợi ích kỹ thuật ở quy mô cần thiết để sửa lỗi. Họ đã thu hút sự chú ý của giới truyền thông bằng cách tập trung vào một máy tính lượng tử 1 triệu qubit.

PsiQuantum được thành lập vào năm 2015 bởi Jeremy O'Brien, Terry Rudolph, Pete Shadbolt và Mark Thompson và có trụ sở tại Thung lũng Silicon, tâm điểm của đổi mới công nghệ.

Máy tính ORCA

Dựa trên nghiên cứu từ Nhóm quang học lượng tử cực nhanh và phi tuyến tính của Giáo sư Ian Walmsley tại Đại học Oxford, ORCA được thành lập tại London bởi các nhà khoa học và doanh nhân lành nghề. Ian Walmsley, Josh Nunn và Kris Kaczmarek trong nhóm đã nhận ra rằng các ký ức lượng tử “ngắn hạn” có thể đồng bộ hóa các hoạt động quang tử và làm cho điện toán lượng tử có khả năng mở rộng thực sự.

Bằng cách tận dụng bộ nhớ lượng tử ORCA để giải quyết vấn đề dư thừa này, ORCA giải phóng tiềm năng của lượng tử lượng tử mà không phải đánh đổi nghiêm trọng các phương pháp cạnh tranh.

ORCA được thành lập vào năm 2019 bởi Ian Walmsley, Richard Murray, Josh Nunn và Cristina Escoda và có trụ sở tại London.

Quandela

Một công ty mới được gọi là Quandela được dành riêng cho việc tạo ra các thiết bị chức năng để nghiên cứu về lượng tử ánh sáng, máy tính lượng tử và thông tin lượng tử.

Nó tạo ra các nguồn sáng lượng tử trạng thái rắn đặc biệt. Một thế hệ máy tính lượng tử mới dựa trên sự điều khiển ánh sáng được phát triển bằng cách sử dụng các nguồn này.

Vào năm 2017, Valerian Giesz, Pascale Senellart và Niccolo Somaschi đã thành lập công ty quang tử này ở Paris.

TundraSystems toàn cầu

Brian Antao thành lập TundraSystems toàn cầu ở Cardiff, Wales, để xây dựng từ đầu nhiều phát triển từ nhiều nguồn học thuật khác nhau, chẳng hạn như Đại học Bristol, MIT, Trung tâm Công nghệ Lượng tử Vương quốc Anh, v.v., trong các giải pháp tính toán trong chế độ toàn quang sử dụng nền tảng cơ bản của cơ học lượng tử.

Mục tiêu cuối cùng của tổ chức là tạo ra và phân phối các giải pháp công nghệ lượng tử sáng tạo. Tạo một thư viện cho Công nghệ Quang tử lượng tử Tundra là bước đầu tiên trong quá trình phát triển. Đây là một yếu tố trong chiến lược của Hệ thống Tundra vì nó hoạt động để tạo ra TundraProcessor, một bộ vi xử lý lượng tử lượng tử đầy đủ chức năng. Một hệ thống HPC toàn diện bao quanh TundraProcessor có thể được xây dựng với sự trợ giúp của thư viện này, điều này cũng sẽ giúp hệ sinh thái các mạch tích hợp quang tử phát triển dễ dàng hơn.

Kết luận

Tóm lại, chúng ta thấy những bước phát triển thú vị trong việc sử dụng laser và ánh sáng trong máy tính. Khi công nghệ quang học tiếp tục phát triển, chúng ta có thể thấy nó được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ mạng khu vực lưu trữ và xử lý song song đến mạng dữ liệu quang học và thiết bị lưu trữ sinh trắc học.

Bộ xử lý của các máy tính ngày nay hiện nay chứa các máy dò ánh sáng và các tia laze cực nhỏ giúp truyền dữ liệu dễ dàng qua các sợi quang học. Một số công ty thậm chí đang phát triển bộ xử lý quang học sử dụng công tắc quang học và ánh sáng laser để thực hiện các phép tính. Intel, một trong những nhà tiên phong đề xuất công nghệ này, đang tạo ra một liên kết quang tử silicon tích hợp có thể truyền 50 gigabyte mỗi giây thông tin không bị gián đoạn.

---

Một mô hình tính toán thần kinh mới có thể thúc đẩy nghiên cứu trí tuệ nhân tạo thần kinh

---

Các máy tính trong tương lai có thể không có màn hình, với thông tin được trình bày qua hình ảnh ba chiều trong không khí phía trên bàn phím. Công nghệ này đang được thực hiện thông qua sự hợp tác của các nhà nghiên cứu và chuyên gia công nghiệp. Ngoài ra, việc sử dụng thực tế công nghệ quang học dưới dạng mạng quang học được dự đoán sẽ tăng lên mỗi năm.

Với tiềm năng tính toán tốc độ cao và hiệu quả, công nghệ quang học sẵn sàng cách mạng hóa cách chúng ta nghĩ về tính toán và xử lý dữ liệu.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/